基于雙重移相的雙向全橋DC-DC變換器優化開關策略

趙 龍，趙興勇，高鵬彥，李 越，任 帥

（山西大學 電力工程系，太原 030013）

隨著低壓直流微電網的發展，在未來智能電網和能源互聯網中，各種分布式電源和儲能等都需要功率轉換系統PCS（power conversation system）才能接入電網[1]。近年來，采用隔離型雙向全橋DC-DC變換器可以使電能雙向流動，在風力發電、電動汽車電源系統、和儲能系統等低壓直流系統中得到越來越廣泛的應用[2]。作為一種廣泛應用于中低壓直流微電網系統中實現功率變換的裝置，雙全橋變換器，或稱雙主動全橋 DAB（dual-active-bridge）變換器，它的優點很多，包括傳輸功率大、結構對稱、雙向功率傳輸、動態響應快、軟開關易實現，尤其適合中大功率應用場合[3]。

目前，國內外對該電路的研究主要集中在其基本特性、拓撲結構、軟開關及控制方法等方面，當前針對雙重移相DPS（dual-phase-shift）控制方式下的雙向全橋變換器的研究，諸多文獻只是研究了變換器的工作原理及其穩態功率傳輸特性，與傳統單移相 SPS（single-phase-shift）控制方式相比，雙重移相控制能大幅度減小回流功率，從而提高變換器整機效率[4]。但對于雙向全橋變換器在傳輸相同功率時電流應力最優開關策略的研究還不是特別深入。此處在DPS控制方式的基礎上，對于傳統移相控制的特定傳輸功率，提出一種電流應力最優開關控制模型，使雙主動全橋DC-DC變換器達到最優的表現性能，最后基于Matlab/Simulink搭建仿真模型。

1 雙重移相控制的工作原理及電流應力最優開關模型

圖 1所示為雙向全橋（DAB）DC-DC變換器的基本拓撲結構。其中U1、U2分別為變換器原邊和副邊的直流端電壓，UH1、UH2分別為原邊與副邊全橋折算到原邊交流輸出端電壓，電感L兩端電壓表示為UL，電感電流表示為iL，開關周期表示為TS。

圖1 雙向全橋 DC-DC變換器Fig.1 Bidirectional full-bridge DC-DC converter

雙移相（dual-phase-shift）控制是目前研究DAB的一種比較典型的控制方法，其控制波形如圖2所示，相比SPS控制，在DPS控制中，兩側全橋內均存在內移相比，并且2個內移相比相同，上下橋臂180°互補導通，因此在變壓器兩側的交流電壓均為三電平波。

DPS控制是通過減少回流功率進而減小電流應力，提高工作效率。在DPS控制中，定義D1為內移相比，D2為外移相比，其中 0≤D1≤1，0≤D2≤1。 雙重移相控制下雙向全橋DC-DC變換器的具體工作模式在文獻[5]中有詳細分析，在這里不再贅述。其中，0≤D1≤1，0≤D2≤1。 電感電流 iL可以表示為設：t0=t0′=0，有 t2=D2Ts/2，t1=D1Ts/2，t3=（D1+D2）Ts/2，t4=Ts/2，t1′=D2/2，t2′=D1Ts/2，t3′=（D1+D2）Ts/2，t4′=Ts/2。

圖2 DPS控制Fig.2 DPS control

當達到穩態時，由伏秒平衡可知，在一個開關周期內，流過電感的平均電流為零，表1所示為半個周期時間內，DPS控制下電感的峰值電流取值。

表1 半個周期內DPS控制的峰值電流Tab.1 Peak current of DPS control in half cycle

為方便計算，取傳輸功率的標幺值，以傳統移相控制方式下的最大傳輸功率為基準值，根據表1可以推導出在雙重移相控制下的功率傳輸模型為

變換器電流應力的大小取決于電感電流的最大值，以電壓變化比k≥1為例，取為基準值，GDPS定為標幺值，得到電流應力為

對于給定的傳輸功率P0，根據式（2）得出：

結合式（3）與式（4），可得：

根據上式及其求導可以得到電流應力GDPS1和GDPS2的最小值及整體電流應力最小值。

圖3所示為本文提出的一種電流應力最優開關策略的控制模型。

圖3 DPS控制的電流應力最優開關控制模型Fig.3 Current stress optimal switch control model controlled by DPS

圖3中在DPS模式中，內移相比D1設定為固定值D1′，而D2由PI控制器根據功率和電壓計算求得，實際上，若 D1′＝0，即為傳統移相控制。 IDPS（improved-dual-phase-shift）表示改進 DPS控制模式，在IDPS模式中，內移相比D1由電流應力最優開關模型計算求得，而D2由PI控制器根據功率和電壓計算求得。該模式下的控制系統主要由功率、電壓變換比計算模塊、PI控制模塊和最優電流應力控制模塊組成。所提出的控制模型是以外移相比D2作為電壓和功率傳輸的控制量，再由PI控制模塊反饋計算得到，以滿足變壓器的運行要求，而內移相比D1作為電流應力的優化量，由最優開關模型求得，這樣便可使變換器優化運行。

2 仿真分析

為了驗證本文所提改進DPS控制模式下，電流應力最優開關策略的合理有效性，通過Matlab/Simulink軟件搭建仿真模型，仿真波形如圖4、圖5所示。從圖中可以看出，兩種模式下的電流應力均不相同。在IDPS模式下，電感電流的最大值相比DPS模式要小，說明改進DPS控制策略產生的電流應力更小。

圖4 DPS控制模式實驗波形Fig.4 DPS control mode experimental waveform

圖5 改進DPS（IDPS）控制模式實驗波形Fig.5 Improved DPS（IDPS）control mode experimental waveform

當傳輸功率和電壓變換比相同的情況下，圖6給出了在傳統DPS模式和改進DPS（IDPS）模式下，電流應力隨原邊電壓V1和電壓變換比D1的變化曲線。從圖中可以得到，在兩種模式下，電流應力均會隨著輸入電壓V1的增加而增加，針對不同的內移相比D1，DPS模式下的電流應力也大有不同。相比之下，改進的DPS模式會產生最小的電流應力。

圖6 電流應力最優開關策略下電流應力實驗曲線Fig.6 Current stress experimental curve under current stress optimal switching strategy

圖7給出了在傳統DPS模式和改進DPS（IDPS）模式下，變換器效率隨原邊電壓V1和電壓變換比D1的變化曲線。從圖中可以看出，IDPS模式下，雙向全橋變換器的效率要高于傳統DPS模式，尤其在電壓變換比較大的情境下。大部分情況下，變換器的效率在電流應力最優運行點時均會取得最大值。

3 結語

圖7 電流應力最優開關策略下效率曲線Fig.7 Efficiency curve of current stress optimal switching strategy

本文通過分析雙主動全橋DC-DC變換器在雙重移相控制下的傳輸功率模型，對傳統的雙重移相控制進行改進，以內移相比作為電流應力的優化量，提出一種改進的雙重移相控制，并且設計了電流應力最優開關控制策略。通過Matlab/Simulink仿真得到以下結論：①對于不同的內移相比，電流應力都會隨著輸入電壓的升高而升高，而改進的DPS控制方式會產生最小的電流應力；②所提優化開關控制策略可以進一步的提高雙向全橋DC-DC變換器移相控制的電流應力和效率表現性能，而且隨著電壓變換比的增加效果更加明顯，在輕載狀態下效果更突出。