三电平双有源全桥DC-DC变换器回流功率最小的移相控制 石墨烯膜
金莉;刘邦银;段善旭
【摘 要】三电平双有源全桥(3L-DAB)DC-DC变换器在DAB拓扑中引入三电平桥臂,额外增加了一个控制自由度,增强了变换器调节的灵活性.采用传统移相控制时,3L-DAB会产生较大的回流功率,导致系统损耗增加,效率降低.针对这个问题,提出一种回流功率最小的移相控制策略.首先通过实时检测输入输出电压和电流,建立移相控制下3L-DAB的传输功率和回流功率的数学模型,推导出最小回流功率与移相角比例、电压比之间的关系.在此基础上,根据传输功率与电压比的范围变化,采用分段优化算法求解最小回流功率及其对应的最优移相角,根据最优移相角来进行移相控制的方法,称之为优化移相控制策略.将提出的优化移相控制与传统的移相控制对比分析,发现前者在宽电压比范围具有更小的回流功率和电流应力,从而提高系统效率.最后,通过实验验证分析的正确性和所提控制策略的有效性. 【期刊名称】《电工技术学报》
【年(卷),期】2018(033)024
【总页数】10页(P5864-5873)
【关键词】三电平双有源全桥变换器;最小回流功率;移相控制;宽电压比范围
【作 者】雷电防护技术金莉;刘邦银;段善旭
【作者单位】华中科技大学电气与电子工程学院强电磁工程与新技术国家重点实验室 武汉 430074;华中科技大学电气与电子工程学院强电磁工程与新技术国家重点实验室 武汉 430074;华中科技大学电气与电子工程学院强电磁工程与新技术国家重点实验室 武汉 430074
【正文语种】中 文
桥梁结构设计【中图分类】TM46
双有源全桥（Dual Active Bridge, DAB）DC-DC变换器具有高功率密度、能实现功率的双向传输、易于实现软开关和模块化等优点，被广泛应用于储能系统[1, 2]、电动汽车[3-5]等双向隔离变换领域。
单移相控制因控制简单、易于实现，被广泛应用于DAB中，但当变压器的一次侧和二次侧桥臂电压不匹配时，DAB变换器回流功率和电流应力显著增加，产生较大的功率损耗，降低了系统效率[6, 7]。
现有文献中提出了多种通过增加控制自由度来克服单移相控制缺点的优化控制策略，以改善DAB的性能。扩展移相、双重移相、三重移相[8]等控制策略均通过引入额外的移相角来减小回流功率、减小电流应力，但是文献[5]中的移相角并未实现优化。文献[9-12]提出的改进调制策略和混合调制策略也能提高DAB变换器的性能，但是这些优化调制策略的实现相对复杂。文献[13]分析了DAB变换器在双重移相控制下的功率传输特性。文献[14]提出的基于双重移相的优化控制策略，减小了变换器的回流功率、峰值电流，并扩展了零电压软开关（Zero Voltage Switching, ZVS）工作范围。遗憾的是，文中并未提出一种实际可行的控制策略使DAB变换器在全功率范围内均能工作于最优状态。文献[15]提出了一种基于双重移相的电流应力最小的开关策略，通过实时检测电压和电流计算最优工作点，在全功率范围内实现电流应力最优，尤其在大电压比和轻载情况下，电流应力和系统效率得到很大改善。Nie Hou等在文献[16]中提出了基于通用移相控制策略的最优电流控制，且该优化控制策略不受谐振电感参数和负载电流的影响。该通用控制策略可等效为单移相、扩展移
相等传统移相控制。有关电流应力优化控制的文献均指出，所提移相控制策略能够减小电流应力和回流功率，但在某些工况下减小电流应力的同时回流功率反而增加，最优工作点时的电流应力和回流功率之间的具体关系还未有文献分析。文献[17]对比分析了特定工作模式下扩展移相和单移相控制时系统的回流功率，并得出扩展移相控制下的回流功率更小。文献[18-20]提出了基于回流功率最小的优化控制策略，分析前提是保证输入端和输出端电压完全匹配，因此对其他工况和功率等级不具有普适性。文献[21]提出一种以回流功率最小为目标的双重移相优化控制策略，根据传输功率及输入输出电压调节比所处的不同范围，采用分段优化方法，得出各范围内的最优内移相比，但所有分析假设内移相角小于外移相角，不够全面。
另一种增加控制自由度的方法是在DAB变换器中引入多电平结构。多电平变换器中的开关器件电压应力较低，在器件选型时可以选择低耐压的开关器件来降低硬件成本和开通关断损耗。文献[22-24]在DAB拓扑中引入了三电平桥臂，并简单分析了单移相控制下变换器的功率传输特性。文献[25]介绍了一种中点钳位型三电平DAB变换器，并提出了一种新型调制策略实现电容电压均衡，变换器的拓扑和工作模式均为三电平。Jin Li等在文献[26]中分析了三电平双有源全桥（Three-Level-DAB, 3L-DAB）变换器移相控制时的软开关范围与
传输功率、电压比之间的关系。但关于3L-DAB的传输特性、回流功率特性等还未有详细分析。
针对三电平DAB DC-DC变换器，为了减少系统的回流功率，提高变换器的性能，本文提出一种基于回流功率最小的移相控制策略。首先分析移相控制下3L-DAB的功率传输特性，在此基础上，建立回流功率的数学模型，推导出最小回流功率与移相角、电压比之间的关系，并给出最优控制实现方案；之后分析了最优工作点系统的变换器特性，并与传统移相（Carrier Phase Shift, CPS）控制作对比；最后，通过实验验证理论分析的正确性。
三电平双有源全桥DC-DC变换器如图1所示。它由输入输出电压V1、V2，输入输出端分压电容C11、C12，C21、C22，变压器一次侧和二次侧带钳位二极管和飞跨电容三电平全桥1和三电平全桥2，传输电感Lr，隔直电容Cb1、Cb2以及高频变压器组成。
设j1为同一桥臂外管与内管之间的移相角，j2为变压器一次侧和二次侧对应开关管之间的移相角，对应半个周期内的移相角比例分别为Dj1和Dj2。根据两个移相角比例之间的关系，3L-DAB移相控制可分为模式A和模式B，即0≤Dj1≤Dj2≤1和0≤Dj2≤Dj1≤1，且两种模式均假设Dj1+Dj2≤ 1。两种模式功率正向传输时的关键波形如图2所示，其中vAB和vCD分别为变
压器一次侧和二次侧的桥臂电压，vLr和iLr为谐振电感端电压和谐振电流，n为变压器的匝数比。
移相控制下的3L-DAB可等效为两个电压源通过谐振电感传输能量，根据图2所示的电感电压和电流波形，各个时间段内的电感电流可表示为
稳态下3L-DAB在一个开关周期的电感电流平均值为零，设图2中t0为一个开关周期的起始点，并根据电感电流的对称性得
联立式（1）和式（2），并结合图2，两种模式时各时间点的电感电流分别为
模式A：
模式B：
式中，fs为3L-DAB的开关频率。
当功率正向传输，即从V1侧向V2侧传递时，基于文献[20]中对2L-DAB基本特性的分析，移相控制下的3L-DAB变换器传输功率和回流功率的标幺值为
式中，Ts为3L-DAB的开关周期；k为电压比，且k=nV2/V1≤1；功率基准值Pbase定义为变换器的最大传输功率，Pbase=nV1V2/(8Lr fs)；为图2中所示的电感电流过零点。
图3给出了3L-DAB变换器的传输功率随移相角比例Dj1和Dj2的变化曲线。单移相控制下的3L-DAB比2L-DAB具有更大的调节范围，且在相同传输功率情况下，3L-DAB可多自由度调节来满足相应的传输功率要求，增强了变换器的调节灵活性。在某一特定的功率下，存在多种（Dj1, Dj2）组合。图3中标示的阴影区域分别为模式A（0≤ Dj1≤Dj2≤1）和模式B（0≤Dj2≤Dj1≤1）时的功率调节范围，可见，两种模式对应的传输功率调节范围分别为[0, 1]Pbase和[0, 2/3]Pbase。
假设3L-DAB变换器移相控制时的传输功率为p0，代入式（5）得
将式（7）代入式（6），可得到回流功率随电压比k、外移相角比Dj2变化的表达式为
根据式（8）可绘制出回流功率的变化曲线。图4a和图4b给出了传输功率p0=1/2，电压比k变化时，两种模式回流功率随移相角比例Dj2变化的曲线。模式A和模式B中，相同条件下，电压比k越小时，变换器的回流功率越大。模式A中，当电压比k=1时，回流功率在整
个移相角变化范围内均很小，占比不到1%；当k逐渐减小时，回流功率显著增加，而且在任一电压比k时，回流功率先减小后增加。同样地，模式B中，当电压比k=1时，变换器整个工作范围内回流功率为零；随着k的减小，回流功率随移相角的增加而减小。因此，特定p0时，3L-DAB变换器存在回流功率最小的工作点，且随着电压比k的减小，最优工作点的回流功率也增加。当且仅当变压器两端的电压完全匹配（k=1）时，3L-DAB变换器的回流功率最小。
特定电压比k时，模式A和模式B的回流功率随传输功率p0与移相角Dj2的变化分别如图5和图6所示。模式A的传输功率p0被划分为两个区域 [0, 2/3]和[2/3, 1]，如图5a和图5b所示。两个区域内，回流功率随移相角比例变化的曲线均类似于一个开口向上的二阶函数曲线，存在使回流功率最小的极小值工作点。当p0Î[0, 2/3]时，如图5a所示，传输功率取1/4、1/2、7/12时，曲线上的三角形标注为理论计算的回流功率最小的工作点，但当考虑限制条件Dj1≤Dj2时，变换器的回流功率最小的工作点则为曲线上的圆形标注。当p0Î [2/3, 1]时，如图5b所示，同样考虑限制条件Dj1≤Dj2，求解可得到如图中三角形标注所示的回流功率最小的工 作点。
图6所示为模式B的回流功率随移相角比例Dj2的二维变化曲线。
葫芦岛锌厂
传输功率p0一定时，回流功率随着Dj2的增加而减小；而当Dj2一定时，随着p0的增加而增
大。从变化曲线可以看出，在某一特定的传输功率下，仍可求得回流功率的最小值，如图6中三角形标注所示。
无痛人工流产术根据2.1节回流功率的定性描述，以下定量求解最小回流功率，对式（8）求偏导数，并基于拉格朗日算法，求解移相控制下3L-DAB的最小回流功率及其对应的最优移相角比例，其中传输功率p0和电压比k的分界点主要由分析过程中的约束条件决定。具体为
1）当0＜p0＜1/2时
此时对应的最优移相角比例为
2）当1/2≤p0＜2/3且0＜k＜时
此时对应的最优移相角比例为
3）当1/2≤p0＜2/3且＜k＜1时
此时对应的最优移相角比例为
4）当2/3≤p0≤1时
此时对应的最优移相角比例为
根据2.2节的定量求解，图7绘制了3L-DAB变换器最小回流功率与传输功率p0、电压比k之间的关系。传输功率p0一定时，最小回流功率随着电压比k的减小而增加，且当k=1时的回流功率最小，与图4所示结果一致。当电压比k一定时，最小回流功率随传输功率p0的增加而增大。
>高尔基资料
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议