郭慧敏， 黃 珺， 宋桂英， 付亞楠， 楊快榮

(1.河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300130；2.河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300130)

隨著不可再生能源的日漸匱乏，基于儲(chǔ)能系統(tǒng)的新能源發(fā)電受到廣泛關(guān)注。雙有源橋DC/DC 變換器(dual active bridge, DAB)在實(shí)現(xiàn)能量雙向傳輸?shù)耐瑫r(shí)，由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率密度高、效率高的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)。因此，DAB 的研究對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展有著重要的意義。

傳統(tǒng)的DAB 由學(xué)者R.W De Doncker 在20 世紀(jì)90 年代提出，在傳統(tǒng)拓?fù)渲?，?dāng)開(kāi)關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，承受的電壓應(yīng)力等于整個(gè)輸入或者輸出電壓。由于儲(chǔ)能系統(tǒng)中的直流電網(wǎng)系統(tǒng)電壓較高，為了滿足高電壓輸入或輸出，考慮到開(kāi)關(guān)管耐壓的有限性，可以將多個(gè)傳統(tǒng)的DAB 級(jí)聯(lián)，但是增加了結(jié)構(gòu)和控制的復(fù)雜性。將三電平結(jié)構(gòu)用于DAB，用耐壓低的開(kāi)關(guān)管代替耐壓高的開(kāi)關(guān)管，不再使用級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，控制相對(duì)容易。而且，在特定功率下，相比較傳統(tǒng)的變換器，中點(diǎn)箝位型三電平雙有源橋DC/DC 變換器(threelevel neutral point diode clamped dual active bridge ,TL-NPC DAB)可以運(yùn)行于更高的電壓水平，同時(shí),采用耐壓低的開(kāi)關(guān)管減小了導(dǎo)通損耗，提高了變換器的效率。

文獻(xiàn)[1]提出了擴(kuò)展移相控制(EPS)方法，除了橋間移相角之外，在一側(cè)全橋內(nèi)引入了移相控制，減小了回流功率和電流應(yīng)力，減小了損耗，增強(qiáng)了靈活性。文獻(xiàn)[2]基于EPS 控制，分析了軟開(kāi)關(guān)控制范圍，以虛擬功率標(biāo)幺值為控制目標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)回流功率最小。文獻(xiàn)[3-4]基于EPS 控制，以回流功率和電感電流應(yīng)力為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)制，從而使目標(biāo)變量達(dá)到最小。文獻(xiàn)[5]在EPS 控制下，以回流功率為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)制。上述文獻(xiàn)采用的EPS 控制都是基于傳統(tǒng)的DAB，雖然控制簡(jiǎn)單并能達(dá)到優(yōu)化效果，但沒(méi)有考慮開(kāi)關(guān)管承受的電壓應(yīng)力帶來(lái)的損耗變大效率變低的問(wèn)題。文獻(xiàn)[6-7]將中點(diǎn)箝位型三電平橋臂引入DAB，在高壓側(cè)輸入端的三電平全橋中通過(guò)控制相關(guān)變量，使之輸出五電平電壓，并建立仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)[8]通過(guò)控制五個(gè)自由度來(lái)控制TL-NPC DAB變換器的輸出，增大了控制的靈活性。文獻(xiàn)[6-8]因調(diào)制策略控制變量過(guò)多，不易實(shí)現(xiàn)控制。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文以TL-NPC DAB 為研究對(duì)象，從而解決傳統(tǒng)DAB 的電壓應(yīng)力問(wèn)題。基于脈沖寬度調(diào)制加移相控制(pulse width modulation phase shift,PWMPS)方法，提出了一種電流有效值優(yōu)化調(diào)制策略，推導(dǎo)出控制變量間的最優(yōu)關(guān)系表達(dá)式，對(duì)比分析了兩種控制方式下開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)特性，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)該調(diào)制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 TL-NPC DAB 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理

圖1 TL-NPC DAB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及SPS下的工作波形圖

式中：δ 為Vab和Vcd的基波分量之間的移相角，與φ 的關(guān)系可以由圖2 得到。

2 基于PWMPS 控制的電流有效值優(yōu)化調(diào)制策略

2.1 變換器導(dǎo)通損耗分析

圖2 PWMPS 控制下的工作波形

變換器的導(dǎo)通損耗分為開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通損耗和磁性元件的銅損，其中開(kāi)關(guān)由開(kāi)關(guān)管和反并聯(lián)二極管組成，將開(kāi)關(guān)管和二極管等效成一個(gè)阻性元件，則開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通損耗就是阻性元件的功率損耗，與電感電流有效值的平方成正比；同樣，磁性元件的銅損也和電感電流有效值的平方成正比。通過(guò)上述分析，變換器的導(dǎo)通損耗正比于電感電流有效值的平方。因此，以電感電流有效值為研究目標(biāo)，通過(guò)對(duì)電流有效值進(jìn)行優(yōu)化調(diào)制可以減小變換器的導(dǎo)通損耗。

根據(jù)圖2(a)得到，開(kāi)關(guān)模式一標(biāo)幺后的電流有效值為：

根據(jù)圖2(b)得到，開(kāi)關(guān)模式二標(biāo)幺后的電流有效值為：

2.2 電流有效值優(yōu)化調(diào)制策略

為簡(jiǎn)便計(jì)算，本文以電流有效值的平方表達(dá)式為目標(biāo)函數(shù)，以傳輸功率表達(dá)式為等式約束建立拉格朗日函數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)形式如下：

將式(1)～(3)代入式(4)，得到如下關(guān)系式：

圖3 為d=0.96 時(shí)兩種控制方式下電感電流有效值i?L和傳輸功率P*的關(guān)系曲線。由圖3 可知，在輕載情況下電流有效值優(yōu)化調(diào)制下的電感電流有效值比單移相控制的小。

2.3 軟開(kāi)關(guān)特性分析

圖3 iL＊與P＊的關(guān)系曲線

當(dāng)給開(kāi)關(guān)管開(kāi)通信號(hào)時(shí)，電流先流經(jīng)與開(kāi)關(guān)管反并聯(lián)的二極管，使開(kāi)關(guān)管兩端的電壓為零，此時(shí)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通，電流反向流過(guò)開(kāi)關(guān)管，從而實(shí)現(xiàn)零電壓(zero voltage switch，ZVS)開(kāi)通。PWMPS 控制下，開(kāi)關(guān)模式一和開(kāi)關(guān)模式二實(shí)現(xiàn)所有開(kāi)關(guān)管ZVS 條件分別見(jiàn)表1 和表2。

表1 開(kāi)關(guān)模式一實(shí)現(xiàn)ZVS 條件

表2 開(kāi)關(guān)模式二實(shí)現(xiàn)ZVS 條件

根據(jù)表1 可知，開(kāi)關(guān)模式一實(shí)現(xiàn)所有開(kāi)關(guān)管ZVS 的條件為：

根據(jù)表2 可知，開(kāi)關(guān)模式二實(shí)現(xiàn)所有開(kāi)關(guān)管ZVS 的條件為：

同理，在SPS控制下，所有開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS的條件見(jiàn)表3。

表3 SPS 控制下ZVS 條件

根據(jù)表3 可知，當(dāng)d＜2 時(shí)，SPS 控制下實(shí)現(xiàn)所有開(kāi)關(guān)管ZVS 的條件為：

將式(8)～(10)代入式(1)，得到PWMPS 控制開(kāi)關(guān)模式一和開(kāi)關(guān)模式二以及SPS 控制實(shí)現(xiàn)所有開(kāi)關(guān)管ZVS 的功率范圍分別為：

圖4 為軟開(kāi)關(guān)條件下的傳輸功率P*與電壓傳輸比d 的關(guān)系繪制。其中，區(qū)域一是SPS 控制下的ZVS 功率傳輸范圍，區(qū)域二是PWMPS 控制下開(kāi)關(guān)模式一的ZVS 功率傳輸范圍，區(qū)域一加區(qū)域三是PWMPS 控制下開(kāi)關(guān)模式二的ZVS 功率傳輸范圍。

圖4 軟開(kāi)關(guān)條件下的P＊與d的關(guān)系

由圖4 可知：在輕載條件下SPS 控制不易實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，而基于PWMPS 控制下的電流有效值優(yōu)化調(diào)制增大了軟開(kāi)關(guān)條件下的功率傳輸范圍。隨著傳輸功率的增大，變換器由開(kāi)關(guān)模式一、開(kāi)關(guān)模式二向單移相控制平滑過(guò)渡，實(shí)現(xiàn)了全功率范圍內(nèi)的軟開(kāi)關(guān)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證控制策略的有效性，本文以TMS320F28335 為控制器搭建了TL-NPC DAB 變換器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)的控制框圖如圖5 所示。平臺(tái)的主要參數(shù)如下：V1=100 V，V2=36 V，L=62μH，高頻變壓器變比2∶1，開(kāi)關(guān)頻率為20 kHz。

圖5 實(shí)驗(yàn)控制框圖

傳輸功率為100 W 的實(shí)驗(yàn)波形如圖6 所示，當(dāng)運(yùn)行于電流有效值優(yōu)化調(diào)制時(shí)，電流有效值為2.85 A，相比較于SPS 控制時(shí)的3.88 A，減少了27%。傳輸功率為500 W 的實(shí)驗(yàn)波形如圖7 所示，當(dāng)運(yùn)行于SPS 控制時(shí)，電流有效值為7.05 A，運(yùn)行于電流有效值優(yōu)化調(diào)制時(shí)，電流有效值為6.68 A。實(shí)驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了電流有效值優(yōu)化調(diào)制策略的有效性。

圖6 P=100 W 實(shí)驗(yàn)波形

圖7 P=500 W 實(shí)驗(yàn)波形

圖8(a)、(b)分別為傳輸功率100 W 時(shí)，輸出側(cè)開(kāi)關(guān)管S1、S3在SPS 控制以及電流有效值優(yōu)化調(diào)制下的開(kāi)關(guān)波形。其中，ugs為開(kāi)關(guān)管柵極與源極之間的電壓，uds為開(kāi)關(guān)管漏極與源極之間的電壓。由圖8(a)可知，SPS 控制下，當(dāng)開(kāi)關(guān)管S1導(dǎo)通時(shí)，流經(jīng)的電流是負(fù)值，不能實(shí)現(xiàn)ZVS 開(kāi)通，電流有效值優(yōu)化調(diào)制下，開(kāi)關(guān)管S1實(shí)現(xiàn)ZVS 開(kāi)通。由圖8(b)可知，SPS 控制下，當(dāng)開(kāi)關(guān)管S3導(dǎo)通時(shí)，流經(jīng)的電流是正值，不能實(shí)現(xiàn)ZVS 開(kāi)通；電流有效值優(yōu)化調(diào)制下，開(kāi)關(guān)管S3實(shí)現(xiàn)ZVS 開(kāi)通。通過(guò)上述分析，SPS 控制下輸出側(cè)開(kāi)關(guān)管為硬開(kāi)通，從而使開(kāi)關(guān)損耗增大，而電流有效值優(yōu)化調(diào)制下為ZVS 開(kāi)通，減小了開(kāi)關(guān)損耗。因此，電流有效值優(yōu)化調(diào)制策略擴(kuò)大了變換器的軟開(kāi)關(guān)范圍。

圖8 P=100 W 時(shí)變換器的開(kāi)關(guān)波形

圖9 給出了不同傳輸功率時(shí)兩種控制下的實(shí)驗(yàn)效率曲線。由圖9 可知，電流有效值優(yōu)化調(diào)制下，變換器的效率高于SPS 控制下的效率，在輕載條件下更明顯。當(dāng)傳輸功率為600 W 時(shí)，變換器處于功率最高點(diǎn)，此時(shí)，PWMPS 控制下三電平全橋中點(diǎn)輸出電壓Vab的占空比D1接近于1，其運(yùn)行狀態(tài)接近于SPS 控制下的運(yùn)行狀態(tài)，所以二者效率近似相等。

4 結(jié)論

圖9 SPS和電流有效值優(yōu)化調(diào)制效率曲線

本文以TL-NPC DAB 為研究對(duì)象，提出了一種基于PWMPS 控制的優(yōu)化調(diào)制策略。分析了PWMPS 控制兩種開(kāi)關(guān)模式的工作特性，求得了電流有效值優(yōu)化調(diào)制下變量之間的關(guān)系表達(dá)式，保證了變換器在全功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電流有效值最小,擴(kuò)大了開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比較SPS 控制，本文提出的優(yōu)化調(diào)制策略有效地改善了變換器在輕載時(shí)的工作特性，減小了損耗，提高了效率。