基于三重移相的雙有源橋DC-DC變換器效率與動態性能混合優化控制策略

王攀攀 徐澤涵 王 莉 高利強 王 軒

基于三重移相的雙有源橋DC-DC變換器效率與動態性能混合優化控制策略

王攀攀 徐澤涵 王 莉 高利強 王 軒

（中國礦業大學電氣與動力工程學院 徐州 221116）

為提升雙有源橋（DAB）DC-DC變換器的效率和動態響應速度，在三重移相控制的基礎上，提出一種混合優化控制策略。首先，從三重移相控制下的DAB工作模式中，選出兩種作為變換器的實際工作模式，并引入新的外移相角，用以降低變換器建模和后續優化設計的難度；然后，分析這兩種模式的工作特性，推導各自模式下的傳輸功率模型、電流應力表達式和軟開關約束條件，借助Karush-Kuhn-Tucker條件法，求出滿足最小電流應力和軟開關條件的最優移相比組合；之后，建立輸出電壓狀態空間模型，利用當前電壓電流信息預測下一時刻輸出電壓，以改善變換器的動態性能；最后，搭建實驗樣機，驗證了所提混合優化控制策略的有效性和優越性。

雙有源橋 三重移相 全功率范圍 軟開關 電流應力 動態性能

0 引言

近年來，隨著分布式發電、電動汽車、直流配電等新技術的發展和應用，雙向DC-DC變換器成為研究熱點[1-4]。由于雙有源橋（Dual Active Bridge, DAB）DC-DC變換器的拓撲結構對稱、功率密度高、模塊化、電氣隔離、易于實現軟開關等特性，因而受到廣泛關注[5-7]。

DAB變換器的傳統控制方法為單移相（Single- Phase-Shift, SPS）控制，具有控制簡單易實現的優點。但是該方法在低功率時段不但存在電流應力和回流功率大的問題，而且部分開關管也會失去零電壓開通特性，從而降低了變換器效率[8-10]。針對SPS控制下變換器效率低的問題，文獻[11]提出了擴展移相（Extended-Phase-Shift, EPS）控制，該方法在單側全橋內增加了一個內移相角，提高了傳輸功率的調節范圍和調節靈活性，為后續電流應力和回流功率的優化提供便利。文獻[12]將EPS控制分為兩種工作模式，分析其電流應力和軟開關條件，并提出了一種全功率范圍內的最小電流應力優化方法。而文獻[13-15]則采用雙重移相（Dual-Phase-Shift, DPS）控制，在兩側全橋內均增加一個移相角的方式來提高控制的自由度，同時以回流功率或電流應力為優化目標，提出相應的效率優化控制方案。但是，DPS控制因兩側橋內的移相角是完全相同的，從而限制了控制靈活性的進一步提高。

三重移相（Triple-Phase-Shift, TPS）控制將兩側橋內移相角進行獨立控制，擁有了3個控制自由度，能進一步提高控制的靈活性，以保障效率與動態性能的優化。文獻[16]基于TPS控制方法，對變換器的傳輸功率和回流功率特性進行了分析，提出了一種回流功率優化控制策略。在此基礎上，文獻[17]根據移相角的大小關系，將TPS的工作模式分為三種，全面分析了變換器中存在的回流功率；并揭示了TPS控制與SPS、EPS和DPS控制方法的內在關系，將四種移相方法歸一化，最終形成了一種效率優化控制策略，進一步提高了變換器的效率。文獻[18-19]在由移相角取值范圍組成的三維定義域空間中對TPS控制的工作模式進行了全面的劃分，并分析了電感電流有效值對變換器效率的影響，進而提出了一種以電流有效值為優化目標的全功率段優化控制策略，取得了良好的優化效果。文獻[20]在文獻[19]的基礎上，進一步研究了變換器的零電壓開通（Zero Voltage Switching, ZVS）特性，提出了一種可實現所有開關管ZVS的優化控制策略。但是，文獻[18-20]所提電流有效值的優化方案由于模型階數高、變量間耦合嚴重等因素，導致數學模型的建立過程較為繁瑣；且文獻[16-20]所定義的移相角是根據開關管的開通順序確定的，并未考慮移相角與變換器傳輸功率方向之間的關系，這使得傳輸功率表達式存在較強的耦合關系，對后續的分析和優化控制增加了難度。文獻[21-22]則將外移相角定義為兩側全橋輸出電壓間的移相角，并通過傳輸功率的傅里葉展開式揭示了新移相角與功率方向之間的關系；該定義方法使得外移相角的物理意義更為明確，可降低傳輸功率表達式的耦合性。

在對DAB變換器進行效率優化的同時，另一個值得關注的問題是如何提高DAB變換器的動態性能。文獻[23]提出了一種負載電流前饋控制策略以提高變換器的抗負載擾動能力，但未驗證輸入電壓突變對控制性能的影響。文獻[24]提出了一種基于SPS控制的虛擬直接功率控制方法，顯著提高了變換器的動態響應速度。文獻[25]基于DPS控制方法，提出了一種輸出電壓模型預測控制方法，有效地增強了變換器的抗輸入電壓突變和負載突變的能力。

為同時提高DAB變換器的效率和動態性能，充分利用TPS控制的自由度，本文首先基于文獻[18-19]中所劃分的DAB工作模式，將外移相角重新定義為兩側全橋輸出電壓間的移相角，以明確其與傳輸功率方向之間的關系，降低后續優化分析的難度；其次，在保證開關管ZVS特性的條件下對電感電流應力進行優化，以提高DAB變換器的效率；最后，結合輸出電壓模型預測控制，加快DAB變換器的動態響應速度，以實現變換器在效率和動態性能方面的雙重提升。

1 新外移相角的引入及工作特性分析

1.1 新外移相角的引入

定義電壓轉換比=in/(o)；當≥1時，變換器工作在Buck模式；當＜1時，變換器工作在Boost模式。下面以Buck模式為例進行DAB工作模態分析。依據ab和cd升/降沿拐點位置，可將TPS控制下的工作模式分為六種[18-19]，其定義域及功率范圍見表1。六種工作模式的全橋輸出電壓和電感電流波形如圖2所示。

圖1 DAB變換器拓撲結構

表1 六種工作模式的定義域及工作范圍

Tab.1 The definition and scope of six operating modes

圖2 TPS控制的六種工作模式的主要波形

從圖2中可以看出，ab和cd的升/降沿拐點位置決定了各自的占空比和兩者間的相位關系，從而影響了電感電流的變化趨勢，使得變換器在不同模式下的工作特性有所區別。由圖2可知，模式2、模式3、模式6的ab和cd沒有重疊部分，能量只能由輔助電感存儲后再傳遞給輸出端口，而不能直接由輸入端直接傳遞至輸出端，這就造成了較大的電感電流應力和額外的回流功率[19]。因此，關于變換器效率的最優控制方案應在其余三種模式中求取。依據表1中各模式的功率范圍，可將模式1作為變換器高功率段的實際工作模式；而模式4與模式5均可工作于低功率段，故可選取其一作為低功率段的實際工作模式，本文選取模式4。

圖3為變換器工作在模式1與模式4時的典型波形。在傳統定義方法下，外移相比0為開關管S1超前S5的開通時間與半周期hs之比，1為一次側橋內移相比，2為二次側橋內移相比，其相應的傳輸功率標幺值表達式[18-19]為

從式（1）中可以看出，此種移相角定義方法下的傳輸功率表達形式復雜，變量間存在較強的耦合關系，對后續的優化設計增加了難度。如在模式4下，0、1、2均大于0時亦不能保證傳輸功率的正向傳輸，且由于變量間的耦合關系，使得功率正向傳輸條件求取困難。

對DAB兩側全橋輸出電壓、電感電流進行傅里葉分解，可得到傳輸功率的傅里葉展開式[21-22]為

式中，為兩側全橋輸出電壓基波間的移相比。在此種移相角定義方法下， =0-1/2+2/2，其值由3個移相角共同決定，這使得傳輸功率表達式存在較強的耦合關系。鑒于此，本文根據文獻[21-22]中的移相角定義方法，將外移相比f重新定義兩側全橋輸出電壓基波間的移相比，即ab和cd高電平波形中點之間的角度差與hs的比值，具體如圖3所示。此時， =f=0-1/2+2/2，可以看出，新移相角的定義減小了變量間的耦合度。且由于f表示ab和cd之間的相位關系，f的正負就代表了功率傳輸的方向，即當f＞0時，功率正向傳輸；當f＜ 0時，功率反向傳輸，其物理意義更加明確。

在新外移相角的定義下，模式1時的定義域為：0.5(1+2)＜f＜1-0.5(1+2)且0＜1,2＜1，模式4定義域為：0.5(2-1)＜f＜0.5(1-2)且0＜1,2＜1。

1.2 新外移相角下的功率模型與電流應力分析

由圖3a的典型波形分析可知，模式1的電感電流1L在半個開關周期內的表達式為

式中，s=2/hs為開關頻率。

結合圖3a與式（3），可得模式1的傳輸功率的標幺值為

式中，N=ino/(8s)為最大傳輸功率。

同理，模式4下的電感電流和傳輸功率的表達式為

從式（4）與式（6）可以看出，引入外移相角后，相較式（1），傳輸功率表達式得到了簡化，能有效降低后續優化的計算量和控制的復雜程度。

電流應力是指DAB變換器在穩定運行時的峰值電流，電流應力的大小與變換器的開通損耗密切相關，是影響變換器效率的重要方面。為了提高變換器的效率，應盡量減小電流應力。結合圖3和式（3）、式（5）可知，在半個開關周期內，兩種模式下的電感電流i均在4時刻達到最大值，為計算方便，對其進行標幺化處理，得到模式1與模式4下的電流應力標幺值表達式為

式中，N=o/(8s)為額定輸入電流。

1.3 軟開關條件分析

開關損耗是影響變換器效率的另一重要方面，為提高效率，需確保開關管的ZVS特性。由于同一橋臂上下兩個開關管（如S1與S2）的通斷具有半周期對稱性，因此只要其一具有ZVS特性，即可保證另一開關管的ZVS?；趯ΨQ性，可確定模式1下的開關管ZVS條件為：i(0)≤0、i(1)≤0、i(2)≥0、i(3)≥0。再結合圖3a和式（3），可得在該模式下實現ZVS的不等式約束條件為

同理，實現模式4下所有開關管的ZVS不等式約束條件為

2 效率與動態性能混合優化控制方案

2.1 基于最小電流應力的效率優化方案

在TPS控制下，當給定傳輸功率和電壓轉換比時，有多種移相比組合（1,2,f）可以滿足給定傳輸功率的要求。對應不同工作模式，移相比的取值范圍不同。因此，基于最小電流應力的效率優化求解，可轉化為以給定傳輸功率為等式約束，以移相比取值范圍為不等式約束的條件極值求取問題，而卡魯是庫恩塔克（Karush-Kuhn-Tucker, KKT）條件法是求解這類問題的常用方法之一[12]。依據KKT條件法，以最小電流應力為優化目標的極值求解方程，可表示為

根據1.1節中關于變換器工作模式的劃分，并將式（4）、式（7）和模式1下的移相比取值范圍代入式（11），得到模式1下的拉格朗日多項式為

進一步得到KKT條件方程組為

求解式（13），即可得到模式1下的最優解為

結合式（4）、式（7），得到模式1下的最優移相比和最小電流應力表達式分別為

為滿足模式1下的移相比區間約束關系，進一步求得該模式下的傳輸功率范圍為

同理可得，模式4下的最小電流應力移相比關系式為

由式（18）可以看出，D2的取值不唯一，且根據式（8）可知，D2的值與電流應力的大小無關。下面將D2分為兩種情況作進一步討論，即D2＜1-k(1-D1)和D2=1-k(1-D1)。繪制兩種情況下的電壓電流曲線，不同D2取值范圍下的電壓電流波形如圖4所示。在圖4中，虛線部分為D2＜1-k(1-D1)時，uab、ucd和iL的波形；實線部分為D2=1-k(1-D1)時的波形。由圖可知，在D2＜1-k(1-D1)與D2= 1-k(1-D1)兩種情況下，電流應力相同；而在D2＜1-k(1-D1)情況下的電流有效值（即電感電流曲線與橫坐標所圍成的面積）較大，相較D2=1-k(1-D1)，多出部分如圖中陰影所示。而電流有效值與開關器件的導通損耗呈正相關，同一傳輸功率下，電流有效值越大，效率越低[10]。

基于上述分析可知，采用KKT條件法求出的最優解已使電流應力達到最小值，但電流有效值仍需要進一步優化。從圖4可以看出，如果令2=1-(1-1)，可以使電感電流有效值最小，從而進一步提高效率。因此，結合式（6）和式（8），可求出模式4下的最優移相比和最小電流應力表達式為

為滿足模式4下的移相比區間約束關系，求得該模式下的傳輸功率范圍為

觀察式（17）與式（21）可知，兩種模式包含了變換器所有的功率區間，模式1為高功率段模式，模式4為低功率段模式。

2.2 效率優化方案的電流應力對比分析

由2.1節分析可知，在基于電流應力的效率優化方案下，高功率段與低功率段電流應力表達式分別如式（16）和式（20）所示，為驗證電流應力的優化效果，將傳統SPS控制下的電流應力與其進行對比分析。SPS下的電流應力標幺值表達式為

根據電流應力表達式，繪制兩種控制方案下的電流應力曲線，不同方案電流應力對比如圖5所示。由圖可看出，當電壓轉換比k=1時，本文控制策略和傳統SPS控制具有相同的電流應力；但隨著電壓轉換比的增大，SPS方法的電流應力迅速增加，在相同k下，本文控制策略的電流應力在全功率范圍內始終小于SPS控制，且在低功率段效果更為明顯，達到了良好的優化效果。

2.3 效率優化方案的軟開關特性分析

在2.1節中，分別得到了變換器在高功率段和低功率段時的最優移相比表達式（15）和式（19），為判斷上述優化控制方案下能否實現開關管ZVS，將式（15）代入式（9），得到高功率段時，所有開關管實現ZVS的約束條件為

在高功率段范圍2(-1)/2≤*≤1內，式（23）單調遞增，且僅在功率下限*=2(-1)/2時，式（23）左側為0，故高功率段內所有開關管均能實現ZVS。

同理，將式（19）代入式（10），發現在低功率范圍0≤*≤2(-1)/2內，開關管的ZVS條件依然恒成立。因此該優化方案可以確保全功率范圍內所有開關管的ZVS。

2.4 基于輸出電壓模型預測的動態性能優化方案

首先，利用狀態空間法對變換器的輸出電壓進行建模，以輸出側支撐電容2為狀態變量，結合式（3），求得變換器工作在模式1時，一個開關周期內的輸出電壓狀態空間平均模型為

為實現預測控制，對輸出電壓進行離散化，即

結合式（24）與式（25）得到下一周期輸出電壓o(+1)的模型預測值為

式中，o()、in()分別為當前時刻采集的負載電流值和輸入電壓值。

從式（26）可以看出，經離散化后，可依據當前時刻的輸出電壓值o()，預測下一開關周期時刻的輸出電壓值o(+1)。故令變換器下一周期時刻的輸出電壓o(+1)與參考電壓ref相等，得到變換器工作在模式1時，輸出電壓模型預測控制下的外移相比f的表達式為

其中

其中

同理，模式4時的外移相比f的表達式為

2.5 混合優化控制方案

根據2.1節與2.4節的分析，最終形成效率與動態性能的混合優化控制方案，混合優化控制框圖如圖6所示。其詳細控制步驟如下。

圖6 混合優化控制框圖

（1）采樣變換器輸入電壓in()、輸出電壓o()、負載電流o()，計算傳輸功率標幺值*與轉換比；并將參考電壓ref與輸出電壓o()作差經PI控制器后輸出電壓補償值D。

（2）在電流應力優化單元中，根據*與確定功率區間，當變換器工作于高功率段（即*≥ 2(-1)/2）時，根據式（15）計算優化內移相比1、2；當工作于低功率段（即*＜2(-1)/2）時，根據式（19）計算1、2。

（3）在動態性能優化單元中，將當前時刻的電壓電流信息、電壓補償量D和電流應力優化單元計算得到的優化內移相比1、2代入相關外移相比預測公式中，即當變換器工作于高功率段時，代入式（29），當變換器工作于低功率段時，代入式（31）。

（4）基于TPS控制產生驅動信號作用于DAB變換器。

3 實驗驗證

為驗證本混合優化方案的有效性和正確性，本文以TMS320F28335為主控芯片，搭建了DAB變換器實驗樣機，其主電路參數見表2。

表2 主電路參數

Tab.2 Main circuit paramenters

3.1 電流應力及效率實驗驗證

為驗證本方案在效率和動態性能方面的優化效果，將本方案與傳統SPS控制方案進行實驗對比和分析。圖7為負載電阻=10W時的電流應力實驗波形，此時傳輸功率標幺值*約為0.32，電壓轉換比=2.5。從圖中可以看出，當變換器工作在低功率段時，傳統SPS控制下的電流應力約為7.3A，基于TPS的混合優化控制下的電流應力約為4.3A?？梢钥闯?，在低功率段時，本控制方案下的電流應力較SPS控制有了明顯的減小。

圖8為負載電阻=5W時的電流應力波形，此時傳輸功率標幺值*約為0.64。從圖中可以看出，當變換器工作在高功率段時，傳統SPS控制下的電流應力約為8.5A，基于TPS的混合優化控制下電流應力約為6.6A，本控制方案有效地減小了高功率段的電流應力。

圖7 兩種控制方案下低功率段電流應力實驗波形

圖8 兩種控制方案下高功率段電流應力波形

圖9為當變換器工作在低功率段時，開關管漏源電壓ds和其驅動信號gs的波形。從圖9a可以看出，開關管S6和S8未實現ZVS，故S6與S8所在的二次側全橋未能實現ZVS，這驗證了在SPS控制下，變換器在低功率段容易失去ZVS的現象；而由圖9b可以看出，基于TPS的混合優化控制方案可以保證所有開關管的ZVS，降低了變換器的開關損耗。

圖9 低功率段兩種控制方案下的ZVS特性

圖10給出了=2.5時兩種控制方案下的電流應力與傳輸功率標幺值的關系曲線。由圖可以看出，相比傳統SPS控制，所提混合優化控制方案在全功率段都具有更小的電流應力、更高的效率，尤其在低功率段，優化效果明顯。

圖10 兩種控制方案下對比曲線

3.2 動態性能實驗驗證

當變換器輸入電壓in=50V，輸出電壓o= 20V，負載電阻由20W突變為10W時，兩種控制策略下的電壓、電流實驗波形如圖11所示。由圖11可知，在負載突變時，傳統SPS控制下，輸出電壓跌落7V，輸出再次穩定的時間約為95ms，波動較大、調節時間長；而基于TPS的混合優化控制下的輸出電壓可以基本保持穩定。

當變換器輸入電壓in由50V突增為65V時，兩種控制下的電壓、電流實驗波形如圖12所示。由圖12可知，在輸入電壓突變時，傳統SPS控制下，輸出電壓超調7V，輸出再次穩定的時間約為96ms；而基于TPS的混合優化控制下，輸出電壓超調1.5V，恢復穩定的時間約為32ms。由此可知，基于TPS的混合優化控制相較SPS控制，動態響應速度加快，動態性能提升明顯。

圖12 兩種控制方案下輸入電壓突變時的實驗波形

4 結論

本文在TPS控制的基礎上，引入新的外移相角，降低了變換器建模和優化設計的復雜度；在此基礎上，以電流應力為優化目標，并結合輸出電壓模型預測控制，提出了一種效率與動態性能混合優化控制策略。理論和實驗分析表明：

1）所提控制策略簡化了TPS控制下的傳輸功率模型，并在全功率范圍內對電流應力進行了優化，確保了所有開關管的ZVS特性，降低了變換器的通態損耗和開關損耗，提高了變換器效率。

2）所提控制策略在輸入電壓突變或負載突變時，能根據當前電壓電流信息，快速改變移相比大小，使輸出電壓快速恢復穩定，具有良好的動態 性能。

[1] 竺慶茸. 雙有源橋DC-DC的調制方式的研究[J]. 電氣技術, 2020, 21(7): 53-56, 68.

Zhu Qingrong. A study of dual active bridge DC-DC modulation mode[J]. Electrical Engineering, 2020, 21(7): 53-56, 68.

[2] 曾林翠, 金猛, 王莉, 等. 能量路由器在泛在電力物聯網配網側的應用研究[J]. 電氣技術, 2020, 21(2): 77-80, 118.

Zeng Lincui, Jin Meng, Wang Li, et al. Application research of energy router in the ubiquitous power internet of things distribution network[J]. Electrical Engineering, 2020, 21(2): 77-80, 118.

[3] 聶永剛, 李俊青, 韓爽, 等. 基于虛擬慣量的DC換流器并聯直流配電網控制策略[J]. 電力系統保護與控制, 2020, 48(15): 19-26.

Nie Yonggang, Li Junqing, Han Shuang, et al. Virtual inertia-based control strategy for a multi parallel DC converter in a DC distribution system[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(15): 19-26.

[4] 蘇冰, 王玉斌, 王璠, 等. 基于耦合電感的多相交錯并聯雙向DC-DC變換器及其均流控制[J]. 電工技術學報, 2020, 35(20): 4336-4349.

Su Bing, Wang Yubin, Wang Fan, et al. Multi-phase interleaved bidirectional DC-DC converter with coupled inductors and current sharing control strategy[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(20): 4336-4349.

[5] 盧林煜, 王魯楊, 柏揚, 等. 面向能源互聯網的固態變壓器中雙有源橋直流變換器研究[J]. 電力系統保護與控制, 2019, 47(6): 141-150.

Lu Linyu, Wang Luyang, Bai Yang, et al. Research on dual-active-bridge DC-DC converter in solid state transformer for energy internet[J]. Power System Protection and Control, 2019, 47(6): 141-150.

[6] 涂春鳴, 管亮, 肖凡, 等. 基于擴展移相控制下雙有源橋移相角優化選取與分析[J]. 電工技術學報, 2020, 35(4): 850-861.

Tu Chunming, Guan Liang, Xiao Fan, et al. Parameter optimization selection and analysis of dual active bridge based on extended phase shift control[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(4): 850-861.

[7] 孫孝峰, 張繪欣, 張涵, 等. 一種用于電-氫多能互補型微電網的雙有源橋集成Boost拓撲及其控制[J].電工技術學報, 2021, 36(10): 2092-2104.

Sun Xiaofeng, Zhang Huixin, Zhang Han, et al. Topology and control strategy of dual active bridge integrated Boost circuit for electro-hydrogen multi- energy complementary microgrid[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(10): 2092- 2104.

[8] 侯川川, 仇志麗, 劉建華. 雙有源橋輕載下的軟開關研究[J]. 電力系統保護與控制, 2017, 45(8): 23-29.

Hou Chuanchuan, Qiu Zhili, Liu Jianhua. Research on soft switching of dual active bridge with light load[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(8): 23-29.

[9] 高國慶, 雷萬鈞, 袁曉杰, 等. 雙有源全橋變換器全狀態離散迭代建模與輸出電壓紋波分析[J]. 電工技術學報, 2021, 36(2): 330-340.

Gao Guoqing, Lei Wanjun, Yuan Xiaojie, et al. Full- state discrete-time model and the output-voltage- ripple analysis of the dual active bridge converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(2): 330-340.

[10] 胡燕, 張天暉, 楊立新, 等. 雙重移相DAB變換器回流功率優化與電流應力優化的對比研究[J]. 中國電機工程學報, 2020, 40(增刊1): 243-253.

Hu Yan, Zhang Tianhui, Yang Lixin, et al. Com- parative study of reactive power optimization and current stress optimization of DAB converter with dual phase shift control[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(S1): 243-253.

[11] Zhao Biao, Yu Qingguang, Sun Weixin. Extended- phase-shift control of isolated bidirectional DC-DC converter for power distribution in microgrid[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(11): 4667-4680.

[12] 郭華越, 張興, 趙文廣, 等. 擴展移相控制的雙有源橋DC-DC變換器的優化控制策略[J]. 中國電機工程學報, 2019, 39(13): 3889-3898.

Guo Huayue, Zhang Xing, Zhao Wenguang, et al. Optimal control strategy of dual active bridge DC-DC converters with extended-phase-shift control[J]. Pro- ceedings of the CSEE, 2019, 39(13): 3889-3898.

[13] Wen Huiqing. Determination of the optimal sub-mode for bidirectional dual-active-bridge DC-DC converter with multi-phase-shift control[C]//2013 IEEE ECCE Asia Downunder, Melbourne, VIC, 2013: 596-600.

[14] 曾進輝, 孫志峰, 雷敏, 等. 雙重移相控制的雙主動全橋變換器全局電流應力分析及優化控制策略[J]. 電工技術學報, 2019, 34(12): 2507-2518.

Zeng Jinhui, Sun Zhifeng, Lei Min, et al. Global current stress analysis and optimal control strategy of dual-active full bridge converter based on dual phase shift control[J]. Transaction of China Electrotechnical Society, 2019, 34(12): 2507-2518.

[15] 王聰, 沙廣林, 王俊, 等. 基于雙重移相控制的雙有源橋DC-DC變換器的軟開關[J]. 電工技術學報, 2015, 30(12): 106-113.

Wang Cong, Sha Guanglin, Wang Jun, et al. The analysis of zero voltage switching dual active bridge DC-DC converters based on dual-phase-shifting control[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(12): 106-113.

[16] 侯聶, 宋文勝. 全橋隔離DC/DC變換器的三重相移控制及其軟啟動方法[J]. 中國電機工程學報, 2015, 35(23): 6113-6121.

Hou Nie, Song Wensheng. Full-bridge isolated DC/DC converters with triple-phase-shift control and soft starting control method[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(23): 6113-6121.

[17] 侯聶, 宋文勝, 王順亮. 全橋隔離DC/DC變換器相移控制歸一化及其最小回流功率控制[J]. 中國電機工程學報, 2016, 36(2): 499-506.

Hou Nie, Song Wensheng, Wang Shunliang. Normali- zation of phase shift control and minimum reflux power control of full-bridge isolated DC/DC con- verters[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(2): 499-506.

[18] Tong Anping, Hang Lijun, Li Guojie, et al. Power flow and inductor current analysis of PWM control for dual active bridge converter[C]//Proceedings of the 2016 IEEE 8th International Power Electronics and Motion Control Conference, Hefei, China, 2016: 1036-1041.

[19] Tong Anping, Hang Lijun, Li Guojie, et al. Modeling and analysis of a dual-active-bridge-isolated bidire- ctional DC/DC converter to minimize RMS current with whole operating range[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, 33(6): 5302-5316.

[20] 邵持, 童安平, 錢語安, 等. 三重移相調制下DAB變換器全功率范圍統一ZVS控制策略[J]. 中國電機工程學報, 2019, 39(19): 5644-5655, 5892.

Shao Chi, Tong Anping, Qian Yu’an, et al. Triple- phase-shift based unified ZVS modulation strategy of dual active bridge converter for full operation range[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(19): 5644-5655, 5892.

[21] Zhao Biao, Song Qiang, Liu Wenhua, et al. Universal high-frequency-link characterization and practical fundamental-optimal strategy for dual-active-bridge DC-DC converter under PWM plus phase-shift control[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(12): 6488-6494.

[22] Shao Shuai, Jiang Mingming, Ye Weiwen, et al. Optimal phase-shift control to minimize reactive power for a dual active bridge DC-DC converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 34(10): 10193-10205.

[23] 侯聶, 宋文勝, 武明義. 雙向全橋DC-DC變換器的負載電流前饋控制方法[J]. 中國電機工程學報, 2016, 36(9): 2478-2485.

Huo Nie, Song Wensheng, Wu Mingyi. A load current feedforward control scheme of dual active bridge DC/DC converters[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(9): 2478-2485.

[24] Song Wensheng, Hou Nie, Wu Mingyi. Virtual direct power control scheme of dual active bridge DC-DC converters for fast dynamic response[J]. IEEE Transa- ctions on Power Electronics, 2018, 33(2): 1750- 1759.

[25] An Feng, Song Wensheng, Yu Bin, et al. Model predictive control with power self-balancing of the output parallel DAB DC-DC converters in power electronic traction transformer[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2018, 6(4): 1806-1818.

A Hybrid Optimization Control Strategy of Efficiency and Dynamic Performance of Dual-Active-Bridge DC-DC Converter Based on Triple-Phase-Shift

（School of Electrical and Power Engineering China University of Mining and Technology Xuzhou 221116 China）

To improve the efficiency and dynamic response speed of the dual-active-bridge (DAB) DC-DC converter, a hybrid optimal control strategy based on the triple phase shift control was proposed. Firstly, in the operating modes of the DAB converter under the control of triple-phase-shift (TPS), two modes were selected, and a new external phase shift angle was introduced to reduce the difficulty of the converter modeling and the optimization design. Then, the working characteristics of the two modes were analyzed, and the transmission power model, current stress expression and soft switching constraint conditions of the two modes were deduced. By Karush-Kuhn-Tucker condition method, the optimal shift ratio combination satisfying the minimum current stress and the soft switching condition was obtained. On this basis, the output voltage state space model was established, and the output voltage at the next moment was predicted by the current information of the voltage and current, thus improving the dynamic performance of the converter. Finally, an experimental platform was built and the results have verified the effectiveness and superiority of the proposed hybrid optimization control strategy.

Dual-active-bridge (DAB), triple-phase-shift (TPS), full power range, soft switching, current stress, dynamic performance

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211525

TM46

國家自然科學基金資助項目（61973306）。

2021-09-27

2022-01-08

王攀攀 男，1982年生，副教授，研究方向為新能源發電技術、工業自動化和電氣設備故障診斷。E-mail: wpp2011@126.com（通信作者）

徐澤涵 男，1996年生，碩士研究生，研究方向為電力電子變換器。E-mail: 1158754511@qq.com

（編輯 陳 誠）