基于擴展移相控制的雙有源橋DC-DC變換器的軟開關

李 巖，王坤明，郭 昊，侯冰冰，井永騰

1 概述

近年來，我國工業迎來了高速發展，能源問題越來越成為推動經濟發展的關鍵因素。隨著傳統化石能源資源的日漸枯竭，大力發展新能源，成為加速我國經濟發展，實現中華民族偉大復興的中國夢的必由之路。目前，風能，太陽能等清潔能源已經大規模并網，為了適應這種改變，各種交流－直流儲能設備加入了電網，新能源發電滲入到配電終端，發電方式也正轉變為集中式，分布式并存，同時，以電動汽車為代表的新型負載日益增加。因此，復雜性和多樣性是未來電網的主要特點，能源能多向，自由流動是未來電網的主要要求，為了提高未來電網的運行效率，提出了電能路由器的概念[1-2]。電能路由器包括整流級，逆變級以及中間級。中間級最典型的拓撲結構是能夠實現能源雙向流動的雙有源橋直流變換器。

提高變換器效率的有效途徑是通過移相控制實現變換器的軟開關，從而提高功率密度[3]。軟開關（Soft-Switching）是相對于硬開關(Hard-Switching)而言的。軟開關是使用軟開關技術的開關過程。理想的軟開關過程是電流或電壓先降到零，電壓或電流再緩慢上升到斷態值，所以開關損耗近似為零。單移相控制是雙有源橋的常用控制方法，能提升變換器的效率，但是器件電壓應力高，控制靈活度小，軟開關區域小。雙移相控制靈活度高，變換器效率進一步提升[4]，但是控制方法復雜，對變換器參數，控制信號的精確性要求高，在工程條件復雜情況下難以廣泛應用。擴展移相控制綜合了上述兩類控制的優點[4]。靈活度高，器件應力小，控制方法簡單，軟開關范圍廣[5]。

基于上述問題，本文以電能路由器中間級的典型雙有源橋直流變換器結構為研究對象，參考單移相控制下變換器特性，建立擴展移相下變換器的具體工作模態，最終得到滿足變換器完全軟開關實現的軟件條件和硬件條件，并且根據得到的條件，搭建了實驗樣機與仿真模型，通過實驗與仿真結果比照，得出變換器實現了軟開關的結論，證明了設計條件的正確性。本文變換器實現的軟開關均為零電壓關斷與開通（ZVS）。

圖1 雙有源橋直流變換器拓撲圖

2 擴展移相控制原理以及軟開關技術實現分析

根據圖1雙有源橋直流變換器拓撲圖，定義H1為變換器一次側，H2為變換器二次側，變換器主要結構為高頻開關管，電力電子變壓器以及串聯電感L，實現軟開關的硬件條件最主要的就是串聯電感值的確定。圖2為擴展移相控制原理圖，根據開關管之間的信號相位關系，定義一次側S1，S2所在橋臂為超前橋臂，S3，S4所在橋臂為滯后橋臂，同理，可得如此側橋臂分類。由軟開關實現的模態分析，開關S1，S2開通與關斷時刻工作原理具有對稱性[6]，因此僅需分析半個周期T/2（t1-t6）的軟開關實現條件。

2.1 雙有源橋一次側與二次側實現軟開關的條件

圖2 擴展移相控制原理圖

通過對不同時刻電路模型的分析，結合電路諧振時刻開關損耗分析與零電壓軟開關實現的條件，可以得出變換器一次側超前橋臂與二次側S5，S8實現軟開關硬件條件（串聯電感值）為：

公式（1）中U1為輸入電壓，C為變換器開關并聯電容值大小，

同樣，可由分析得到變換器一次側滯后橋臂實現軟開關硬件條件為：

公式(2)中U1為輸入電壓，C為變換器開關并聯電容值大小。Ip為一次側滯后橋臂開關管關斷時原邊電流。

制約變換器實現軟開關往往是在電感電流過零瞬間前后，只要滯后橋臂電感電流過零瞬間與二次側電壓nU2相反即可，并且，變換器滯后橋臂實現軟開關對電感參數的要求更嚴苛。在實際工程中，Ip>I2，因此，為了實現變換器所有高頻IGBT的軟開關，變換器設置參數需滿足公式（2），即公式（2）為變換器實現軟開關的電感參數設計準則。

實現軟開關，需要對驅動波形進行設置，即設定移相角，并且對于同一橋臂上的開關，為了杜絕直通現象的發生，且滿足軟開關的實現條件，需要對死區時間進行限制。移相角與死區時間滿足：

公式（3）中，α1表示一次側橋臂的內移相角，α2表示一次側與二次側橋臂間的橋間移相角。

2.2 仿真與實驗結果分析

參照前文給出的擴展移相控制下軟開關實現條件，在SIMULIMNK中搭建仿真模型如圖3（a）所示，其中，串聯電感參數采用前文所得公式推出，具體參數設計見表1，圖3（b）按照前文給出驅動波形設計準則設置死區時間以及移相角。仿真結果如圖4所示，為滯后橋臂開關S3開通瞬間展開圖。

圖3（a） SIMULINK中仿真模型圖

圖3（b） 驅動信號的設置仿真圖

圖4 變換器實現軟開關仿真圖

為了驗證本文所分析的擴展移相控制下軟開關參數設計準則的正確性，搭建了一臺雙有源橋直流變換器的樣機，采用DSP28335進項控制，具體參數如表1所示。圖5為搭建的雙有源橋直流變換器實驗臺。圖6為實驗結果圖。

圖5 雙有源橋直流變換器實驗臺

圖6 變換器運行圖

表1 雙有源橋直流變換器參數表

圖4仿真圖與圖6實驗圖均為變換器運行時一次側滯后橋臂上S3開通瞬間展開圖，由前文分析可知，在此刻變換器狀態對應到圖1的t4時刻，滯后橋臂上開關S3實現零電壓開通條件是電感電流大于0（即與此刻電壓值相反），可以看出，開關S3此時滿足完全軟開關條件，由對稱性可知，一次側滯后橋臂上S4也滿足完全軟開關條件，實現一次側滯后橋臂軟開關條件最為嚴苛，因此，變換器所有開關管實現了完全軟開關，進一步驗證了本文所提出設計參數的正確性。

3 總結

本文通過對能源路由器中雙有源橋直流變換器的控制策略進行分析，給出了實現軟開關的條件，并根據給出參數搭建仿真模型，并對樣機進行實驗，仿真與實驗結果均證明了變換器一次側和二次側實現了軟開關，驗證了本文提出的軟開關設計方法的有效性。工程實踐中可以根據實際需要直接參考本文給出的設計方法，可以極大的節省時間。