三電平雙有源橋直流變換器的優化調制

郭慧敏， 黃 珺， 宋桂英， 付亞楠， 楊快榮

(1.河北工業大學電氣工程學院省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室，天津300130；2.河北工業大學電氣工程學院河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室，天津300130)

隨著不可再生能源的日漸匱乏，基于儲能系統的新能源發電受到廣泛關注。雙有源橋DC/DC 變換器(dual active bridge, DAB)在實現能量雙向傳輸的同時，由于具有結構簡單、功率密度高、效率高的優點，被廣泛應用于儲能系統。因此，DAB 的研究對儲能系統發展有著重要的意義。

傳統的DAB 由學者R.W De Doncker 在20 世紀90 年代提出，在傳統拓撲中，當開關管處于關斷狀態時，承受的電壓應力等于整個輸入或者輸出電壓。由于儲能系統中的直流電網系統電壓較高，為了滿足高電壓輸入或輸出，考慮到開關管耐壓的有限性，可以將多個傳統的DAB 級聯，但是增加了結構和控制的復雜性。將三電平結構用于DAB，用耐壓低的開關管代替耐壓高的開關管，不再使用級聯的結構，結構相對簡單，控制相對容易。而且，在特定功率下，相比較傳統的變換器，中點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)可以運行于更高的電壓水平，同時,采用耐壓低的開關管減小了導通損耗，提高了變換器的效率。

文獻[1]提出了擴展移相控制(EPS)方法，除了橋間移相角之外，在一側全橋內引入了移相控制，減小了回流功率和電流應力，減小了損耗，增強了靈活性。文獻[2]基于EPS 控制，分析了軟開關控制范圍，以虛擬功率標幺值為控制目標來實現回流功率最小。文獻[3-4]基于EPS 控制，以回流功率和電感電流應力為目標進行優化調制，從而使目標變量達到最小。文獻[5]在EPS 控制下，以回流功率為目標進行優化調制。上述文獻采用的EPS 控制都是基于傳統的DAB，雖然控制簡單并能達到優化效果，但沒有考慮開關管承受的電壓應力帶來的損耗變大效率變低的問題。文獻[6-7]將中點箝位型三電平橋臂引入DAB，在高壓側輸入端的三電平全橋中通過控制相關變量，使之輸出五電平電壓，并建立仿真模型進行驗證。文獻[8]通過控制五個自由度來控制TL-NPC DAB變換器的輸出，增大了控制的靈活性。文獻[6-8]因調制策略控制變量過多，不易實現控制。

針對以上問題，本文以TL-NPC DAB 為研究對象，從而解決傳統DAB 的電壓應力問題。基于脈沖寬度調制加移相控制(pulse width modulation phase shift,PWMPS)方法，提出了一種電流有效值優化調制策略，推導出控制變量間的最優關系表達式，對比分析了兩種控制方式下開關管的軟開關特性，并搭建實驗平臺對該調制策略進行實驗驗證。

1 TL-NPC DAB 的拓撲結構與工作原理

圖1 TL-NPC DAB拓撲結構及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 的關系可以由圖2 得到。

2 基于PWMPS 控制的電流有效值優化調制策略

2.1 變換器導通損耗分析

圖2 PWMPS 控制下的工作波形

變換器的導通損耗分為開關的導通損耗和磁性元件的銅損，其中開關由開關管和反并聯二極管組成，將開關管和二極管等效成一個阻性元件，則開關的導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。通過上述分析，變換器的導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，通過對電流有效值進行優化調制可以減小變換器的導通損耗。

根據圖2(a)得到，開關模式一標幺后的電流有效值為：

根據圖2(b)得到，開關模式二標幺后的電流有效值為：

2.2 電流有效值優化調制策略

為簡便計算，本文以電流有效值的平方表達式為目標函數，以傳輸功率表達式為等式約束建立拉格朗日函數，標準形式如下：

將式(1)～(3)代入式(4)，得到如下關系式：

圖3 為d=0.96 時兩種控制方式下電感電流有效值i?L和傳輸功率P*的關系曲線。由圖3 可知，在輕載情況下電流有效值優化調制下的電感電流有效值比單移相控制的小。

2.3 軟開關特性分析

圖3 iL＊與P＊的關系曲線

當給開關管開通信號時，電流先流經與開關管反并聯的二極管，使開關管兩端的電壓為零，此時開關管開通，電流反向流過開關管，從而實現零電壓(zero voltage switch，ZVS)開通。PWMPS 控制下，開關模式一和開關模式二實現所有開關管ZVS 條件分別見表1 和表2。

表1 開關模式一實現ZVS 條件

表2 開關模式二實現ZVS 條件

根據表1 可知，開關模式一實現所有開關管ZVS 的條件為：

根據表2 可知，開關模式二實現所有開關管ZVS 的條件為：

同理，在SPS控制下，所有開關管實現ZVS的條件見表3。

表3 SPS 控制下ZVS 條件

根據表3 可知，當d＜2 時，SPS 控制下實現所有開關管ZVS 的條件為：

將式(8)～(10)代入式(1)，得到PWMPS 控制開關模式一和開關模式二以及SPS 控制實現所有開關管ZVS 的功率范圍分別為：

圖4 為軟開關條件下的傳輸功率P*與電壓傳輸比d 的關系繪制。其中，區域一是SPS 控制下的ZVS 功率傳輸范圍，區域二是PWMPS 控制下開關模式一的ZVS 功率傳輸范圍，區域一加區域三是PWMPS 控制下開關模式二的ZVS 功率傳輸范圍。

圖4 軟開關條件下的P＊與d的關系

由圖4 可知：在輕載條件下SPS 控制不易實現軟開關，而基于PWMPS 控制下的電流有效值優化調制增大了軟開關條件下的功率傳輸范圍。隨著傳輸功率的增大，變換器由開關模式一、開關模式二向單移相控制平滑過渡，實現了全功率范圍內的軟開關。

3 實驗結果與分析

為了驗證控制策略的有效性，本文以TMS320F28335 為控制器搭建了TL-NPC DAB 變換器的實驗平臺，實驗的控制框圖如圖5 所示。平臺的主要參數如下：V1=100 V，V2=36 V，L=62μH，高頻變壓器變比2∶1，開關頻率為20 kHz。

圖5 實驗控制框圖

傳輸功率為100 W 的實驗波形如圖6 所示，當運行于電流有效值優化調制時，電流有效值為2.85 A，相比較于SPS 控制時的3.88 A，減少了27%。傳輸功率為500 W 的實驗波形如圖7 所示，當運行于SPS 控制時，電流有效值為7.05 A，運行于電流有效值優化調制時，電流有效值為6.68 A。實驗結果均驗證了電流有效值優化調制策略的有效性。

圖6 P=100 W 實驗波形

圖7 P=500 W 實驗波形

圖8(a)、(b)分別為傳輸功率100 W 時，輸出側開關管S1、S3在SPS 控制以及電流有效值優化調制下的開關波形。其中，ugs為開關管柵極與源極之間的電壓，uds為開關管漏極與源極之間的電壓。由圖8(a)可知，SPS 控制下，當開關管S1導通時，流經的電流是負值，不能實現ZVS 開通，電流有效值優化調制下，開關管S1實現ZVS 開通。由圖8(b)可知，SPS 控制下，當開關管S3導通時，流經的電流是正值，不能實現ZVS 開通；電流有效值優化調制下，開關管S3實現ZVS 開通。通過上述分析，SPS 控制下輸出側開關管為硬開通，從而使開關損耗增大，而電流有效值優化調制下為ZVS 開通，減小了開關損耗。因此，電流有效值優化調制策略擴大了變換器的軟開關范圍。

圖8 P=100 W 時變換器的開關波形

圖9 給出了不同傳輸功率時兩種控制下的實驗效率曲線。由圖9 可知，電流有效值優化調制下，變換器的效率高于SPS 控制下的效率，在輕載條件下更明顯。當傳輸功率為600 W 時，變換器處于功率最高點，此時，PWMPS 控制下三電平全橋中點輸出電壓Vab的占空比D1接近于1，其運行狀態接近于SPS 控制下的運行狀態，所以二者效率近似相等。

4 結論

圖9 SPS和電流有效值優化調制效率曲線

本文以TL-NPC DAB 為研究對象，提出了一種基于PWMPS 控制的優化調制策略。分析了PWMPS 控制兩種開關模式的工作特性，求得了電流有效值優化調制下變量之間的關系表達式，保證了變換器在全功率范圍內實現電流有效值最小,擴大了開關管的軟開關范圍。實驗結果表明，相比較SPS 控制，本文提出的優化調制策略有效地改善了變換器在輕載時的工作特性，減小了損耗，提高了效率。