雙有源橋變換器的軟開關(guān)特性分析

徐海博 花磊

摘 要：DAB在隔離型雙向直流變換場合有著廣闊的應(yīng)用前景?，F(xiàn)首先針對DAB的經(jīng)典拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了DAB在SPS控制下的傳輸功率特性和電流應(yīng)力特性;然后進一步分析了DAB的兩種不匹配運行狀態(tài)，并得出了其軟開關(guān)運行范圍;最后在Matlab/Simulink仿真平臺上進行了仿真實驗，驗證了所提方法的有效性和可靠性。

關(guān)鍵詞：DAB;單移相控制;軟開關(guān);電流應(yīng)力

中圖分類號：TM52? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）12-0012-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.12.004

0? ? 引言

DAB的概念首次被提出是在1991年[1-2]，但受到當(dāng)時硬件條件制約，并沒有得到廣泛應(yīng)用。2007年，日本學(xué)者H. Akagi提出DAB在將來會成為核心元件被應(yīng)用于未來的高頻隔離功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中[3]。直到最近幾年，伴隨著SiC功率器件的成熟發(fā)展，DAB再次成為研究熱點。目前，已有不少文獻對DAB展開研究，文獻[4-5]的研究重點放在DAB的基本特性上，如動態(tài)模型、傳輸功率和死區(qū)效應(yīng);文獻[6-7]圍繞DAB的軟開關(guān)特性，研究了各種DAB的軟開關(guān)方案以降低電路損耗。

DAB的控制方法中最基本的就是移相控制，單移相（Single-phase-shift，SPS）控制是目前最為常用的控制方式，由學(xué)者M. H. Kheraluwala提出。SPS控制中，DAB兩個全橋均為對角導(dǎo)通，同橋臂開關(guān)管的驅(qū)動信號互補，在高頻變壓器兩側(cè)產(chǎn)生占空比為50%的方波電壓，通過調(diào)整兩個方波電壓之間的相角差值就可以調(diào)整傳輸功率[5]。

本文依據(jù)DAB的經(jīng)典拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了DAB在SPS控制下的傳輸功率特性、電流應(yīng)力特性。同時，進一步分析了DAB的兩種不匹配運行狀態(tài)，并得出了其軟開關(guān)運行范圍，最后進行了仿真驗證。

1? ? DAB的工作原理

圖1（a）為單個DAB元件拓?fù)鋱D，DAB兩側(cè)全橋開關(guān)頻率相同，單移相控制下，開關(guān)管對角導(dǎo)通，同一橋臂上的開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)互補，使得變壓器兩側(cè)為占空比為50%的交流電壓方波?？刂谱儔浩鲀蓚?cè)方波之間的相位差，從而控制漏抗的電壓幅值和相位，進而可以控制DAB的功率傳輸。將高頻變壓器視為一個理想變壓器及漏抗，就可以將DAB等效為兩個交流電源通過電感連接，如圖1（b）所示，和傳統(tǒng)交流電力系統(tǒng)的區(qū)別在于，后者的激勵為工頻正弦波，而DAB的等效激勵為高頻方波。

2? ? DAB在SPS控制下的工作特性

2.1? ? 傳輸功率特性分析

以正向功率流為例，DAB的傳輸功率為：

P =Udc1Idc1=·D（1-D） （1）

式中：f為高頻變壓器頻率;D為原副邊方波電壓的移相角。

式（1）表明，在變壓器變比、輸入/輸出電壓、頻率、等效電感一定時，通過改變移相比D的大小就可以控制DAB功率傳輸?shù)拇笮『土飨颉?/p>

圖2給出了D在[-1，1]上變化時，傳輸功率標(biāo)幺值的變化規(guī)律。傳輸功率的零點和極值在D=0和D=±0.5時得到，以正向傳輸為例，當(dāng)02.2? ? 電流應(yīng)力特性分析

DAB穩(wěn)態(tài)運行時，拓?fù)渲须娏鞯淖畲笾当环Q為電流應(yīng)力，電路中電流應(yīng)力越大，對器件的耐壓耐流要求就越高，進而會提高成本，同時損耗也會提升，能量傳輸效率會下降。根據(jù)上節(jié)分析，定義電壓傳輸比K=Udc1/mUdc2，DAB穩(wěn)態(tài)運行時的電流應(yīng)力為：

imax=·（1-2D-K） （2）

功率傳輸最大時的輸入電流為：

iN=? （3）

以式（3）中的電流值為基準(zhǔn)值，可以得到電流應(yīng)力的標(biāo)幺值為：

i*==2（K+2D-1）? （4）

結(jié)合式（1）和式（4）可以得到電流應(yīng)力標(biāo)幺值和電壓傳輸比以及傳輸功率標(biāo)幺值的關(guān)系式：

i*=2K-2? （5）

根據(jù)式（5）可知，當(dāng)傳輸功率保持恒定時，電流應(yīng)力隨著電壓傳輸比的增大而增大，當(dāng)電壓傳輸比一定時，電流應(yīng)力隨著傳輸功率的增大而增大，關(guān)系圖如圖3所示。

從圖3可以看出，電壓傳輸比和傳輸功率對于電流應(yīng)力都是正相關(guān)關(guān)系，若要減小電流應(yīng)力，不宜以犧牲傳輸功率為代價，應(yīng)該減小電壓傳輸比。上述分析結(jié)果也說明了SPS控制策略在輸入/輸出電壓比較大時，控制效果不佳。因此，在研究以SPS控制為基礎(chǔ)的移相控制策略時，K值不應(yīng)取過大。

3? ? 仿真結(jié)果

DAB的仿真電路依據(jù)圖1搭建，仿真平臺為Matlab/

Simulink平臺，仿真采取SPS控制方式，正向傳輸功率，用以驗證本文理論的正確性。本仿真為采取閉環(huán)控制的仿真，仿真系統(tǒng)中的各項參數(shù)列于表1中，為仿真驗證DAB在匹配運行狀態(tài)下和不匹配運行狀態(tài)下的運行情況，當(dāng)K>1時，取輸出電壓參考值Udc2ref=400 V;當(dāng)K=1時，取輸出電壓參考值Udc2ref=500 V;當(dāng)K<1時，取輸出電壓參考值Udc2ref=600 V。

圖4（a）和圖4（b）分別為輸出電壓波形圖和變壓器漏感電流波形圖，0.1 s之前，輸出電壓控制在400 V，仿真K>1的情況;0.1 s到0.2 s之內(nèi)，輸出電壓控制在500 V，仿真K=1的情況;0.2 s之后，輸出電壓控制在600 V，仿真K<1的情況。K>1、K=1、K<1的各參數(shù)的穩(wěn)態(tài)方法圖分別如圖4（c）、圖4（d）、圖4（e）所示。

三種情況下DAB變壓器漏感電流的變化情況和理論分析圖一致，K=1時，可以實現(xiàn)全運行區(qū)間的ZVS，當(dāng)DAB運行于不匹配狀態(tài)時，開關(guān)管會損失一部分ZVS導(dǎo)通和ZCS關(guān)斷，增加開關(guān)管和二極管的硬導(dǎo)通、硬關(guān)斷次數(shù)，損耗提升，能量傳輸效率降低。

4? ? 結(jié)論

本文分析了DAB在SPS下的傳輸特性、電流應(yīng)力特性以及軟開關(guān)特性，得出以下結(jié)論：

（1）正向傳輸時，當(dāng)0（2）正向傳輸時，當(dāng)K=1時，DAB開關(guān)管有ZVS開通和硬關(guān)斷兩種狀態(tài)，DAB的二極管有硬開通和ZCS關(guān)斷兩種狀態(tài)。當(dāng)K>1時，原邊H橋開關(guān)管有ZVS導(dǎo)通和硬關(guān)斷兩種開關(guān)方式，二極管有硬導(dǎo)通和ZCS關(guān)斷兩種開關(guān)方式;副邊H橋開關(guān)管有硬導(dǎo)通和ZCS關(guān)斷兩種開關(guān)方式，二極管有ZVS導(dǎo)通和硬關(guān)斷兩種開關(guān)方式。當(dāng)K<1時，和K>1的情況相反。

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收稿日期：2022-03-16

作者簡介：徐海博（1983—），男，陜西人，工程師，研究方向：直流輸電、柔性直流輸電等電力電子技術(shù)應(yīng)用。