雙有源橋變換器的軟開關特性分析

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用前景。現首先針對DAB的經典拓撲結構，詳細分析了DAB在SPS控制下的傳輸功率特性和電流應力特性;然后進一步分析了DAB的兩種不匹配運行狀態，并得出了其軟開關運行范圍;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。

關鍵詞：DAB;單移相控制;軟開關;電流應力

中圖分類號：TM52? ? 文獻標志碼：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]，但受到當時硬件條件制約，并沒有得到廣泛應用。2007年，日本學者H. Akagi提出DAB在將來會成為核心元件被應用于未來的高頻隔離功率轉換系統中[3]。直到最近幾年，伴隨著SiC功率器件的成熟發展，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，如動態模型、傳輸功率和死區效應;文獻[6-7]圍繞DAB的軟開關特性，研究了各種DAB的軟開關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，由學者M. H. Kheraluwala提出。SPS控制中，DAB兩個全橋均為對角導通，同橋臂開關管的驅動信號互補，在高頻變壓器兩側產生占空比為50%的方波電壓，通過調整兩個方波電壓之間的相角差值就可以調整傳輸功率[5]。

本文依據DAB的經典拓撲結構，詳細分析了DAB在SPS控制下的傳輸功率特性、電流應力特性。同時，進一步分析了DAB的兩種不匹配運行狀態，并得出了其軟開關運行范圍，最后進行了仿真驗證。

1? ? DAB的工作原理

圖1（a）為單個DAB元件拓撲圖，DAB兩側全橋開關頻率相同，單移相控制下，開關管對角導通，同一橋臂上的開關管導通狀態互補，使得變壓器兩側為占空比為50%的交流電壓方波。控制變壓器兩側方波之間的相位差，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，和傳統交流電力系統的區別在于，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功率傳輸的大小和流向。

圖2給出了D在[-1，1]上變化時，傳輸功率標幺值的變化規律。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02.2? ? 電流應力特性分析

DAB穩態運行時，拓撲中電流的最大值被稱為電流應力，電路中電流應力越大，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。根據上節分析，定義電壓傳輸比K=Udc1/mUdc2，DAB穩態運行時的電流應力為：

imax=·（1-2D-K） （2）

功率傳輸最大時的輸入電流為：

iN=? （3）

以式（3）中的電流值為基準值，可以得到電流應力的標幺值為：

i*==2（K+2D-1）? （4）

結合式（1）和式（4）可以得到電流應力標幺值和電壓傳輸比以及傳輸功率標幺值的關系式：

i*=2K-2? （5）

根據式（5）可知，當傳輸功率保持恒定時，電流應力隨著電壓傳輸比的增大而增大，當電壓傳輸比一定時，電流應力隨著傳輸功率的增大而增大，關系圖如圖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力都是正相關關系，若要減小電流應力，不宜以犧牲傳輸功率為代價，應該減小電壓傳輸比。上述分析結果也說明了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控制為基礎的移相控制策略時，K值不應取過大。

3? ? 仿真結果

DAB的仿真電路依據圖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。本仿真為采取閉環控制的仿真，仿真系統中的各項參數列于表1中，為仿真驗證DAB在匹配運行狀態下和不匹配運行狀態下的運行情況，當K>1時，取輸出電壓參考值Udc2ref=400 V;當K=1時，取輸出電壓參考值Udc2ref=500 V;當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，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的各參數的穩態方法圖分別如圖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，可以實現全運行區間的ZVS，當DAB運行于不匹配狀態時，開關管會損失一部分ZVS導通和ZCS關斷，增加開關管和二極管的硬導通、硬關斷次數，損耗提升，能量傳輸效率降低。

4? ? 結論

本文分析了DAB在SPS下的傳輸特性、電流應力特性以及軟開關特性，得出以下結論：

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

[參考文獻]

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[2] 王歸新，肖波濤.電流型雙有源橋式雙向DC-DC變換器的建模與解耦控制[J].電源學報，2020，18（3）：71-79.

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[7] DE DONCKER R W A A，DIVAN D M，KHERALUWALA M H. A three-phase soft-switched high-power density DC/DC converter for high-power applications[J].

IEEE Transactions on Industry Applications，1991，27（1）：63-73.

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應用。