基于DAB的單級雙向AC/DC變換器設計

摘 要：隨著新型電力電子技術發展，作為充電機的最主要組成部分，雙向AC/DC變換器在電網與車輛雙向互動方面得到了廣泛應用，因此，對其性能提出了更高要求。本文介紹了一種基于DAB的單級式隔離型雙向AC/DC變換器，結合矩陣變化器和雙有源橋變換器的優勢，對傳統交直流變換器進行了改進。該結構體積更小、質量更輕且功率密度更高。本文對該變換器的電路拓撲、工作過程以及相應的元件參數進行了詳細分析，使用MATLAB軟件進行電路仿真，并搭建了一臺3kW樣機用于測試。仿真和試驗結果驗證該電路具有良好性能。

關鍵詞：電力電子變換器；雙有源橋；V2G

中圖分類號：TM 46" " " " " " 文獻標志碼：A

隨著新能源汽車快速發展，電動汽車與電網的連接越來越緊密，對車載儲能的利用逐漸成為研究熱點。以電動汽車儲能電池向電網饋電為核心的V2G（Vehicle to Grid）技術正飛速地發展。作為充電機級充電樁的核心單元，電力電子充放電裝置是主要研究對象，迫切需要提升雙向AC/DC變換器的性能[1]。出于電氣安全和噪聲干擾的考慮，大功率應用對高頻隔離性能的要求很高，因此設計和控制體積更小、功率密度更高且效率更高的隔離式AC/DC轉換器至關重要。

由于理論分析成熟、控制方法簡單，傳統的雙向充電裝置通常采用全橋或半橋結構，因此難以提高功率密度并滿足V2G技術對高性能的需求[2]。另一種較常用的雙向AC/DC變換器采用雙級結構，由交流側同步整流器和直流側雙有源橋（DAB）變換器組成的兩級隔離式交直流結構被廣泛用于大范圍的功率轉換[3]。但是兩級結構的中間直流穩壓必須使用大型電解電容，因此系統壽命有限，整體質量和體積均難以壓縮，功率密度不高。

本文介紹了一種基于DAB結構的衍生拓撲，充分利用了矩陣變化器和雙有源橋變換器的優勢，仍采用單級結構實現能量的雙向流動，可以顯著提高功率密度、工作效率和可靠性。

1 電路拓撲

本文基于DAB的單級雙向AC/DC變換器拓撲如圖1所示。高頻變壓器連接矩陣變換器和全橋電路。矩陣變換器包括4個雙向開關，每個雙向開關由2個開關管共發射極連接而成，可分為一個正組開關和一個反組開關。交流源電壓則可以按照正、負半周分別考慮，當交流電源處于正半周時，正組的開關管與反組的反向并聯二極管構成一條通道；反之，當交流電源處于負半周時，反組的開關管與正組的反向二極管構成一條通道，因此矩陣變換器相當于一正、一反2個全橋變換器并聯。考慮等效漏感連接的全橋變換器，因此可以認為矩陣變換器的正、負組通路分別與直流側的全橋結構、高頻隔離變壓器構成了雙有源橋（DAB）變換器，進而可利用其軟開關控制優勢，在交直流變換中進行高性能功率雙向傳輸。在本文研究過程中，變壓器的磁化電感、繞組電阻和鐵芯損耗均被忽略。

2 工作原理

DAB變換器具有軟開關特性好等優點，被廣泛應用于大功率雙向DC/DC領域。本文將DAB變換器拓展到AC/DC領域，相當于在輸入側引入高頻雙向電壓信號，因此可以從交流電壓正向和反向考慮調制過程。考慮變流器的結構是對稱的，工作頻率是均勻的，類似于DAB的移相控制原理，因此可以通過改變電感兩端電壓的幅值和相位來控制變流器傳輸功率的大小和方向。本文僅以整流法為例進行分析。由于開關工作頻率遠高于正弦基波頻率，因此可以認為在一個開關周期內交流側電壓幅值恒定，可任取一開關周期進行分析。該拓撲的工作過程如圖2所示。該雙向AC/DC變換器采用類似于DAB的擴展移相（Extended-phase-shift，EPS）控制方式，其中包括橋間移相角和橋內移相角2個自由度。與EPS不同的是，該變換器的輸入源為交流正弦波，因此二次側的移相角不再是固定值的脈沖，而是按照正弦變化，類似于單極倍頻SPWM（Sinusoidal PWM）調制方法。

使矩陣變換器輸出一組高頻方波，盡管輸入源為交流正弦波，但是矩陣變換器由雙向開關組成，因此輸入源的正、反半波均可以通過。由于開關頻率遠大于交流電基波頻率，因此合理設計觸發脈沖，可使其輸出脈沖寬度為50%的兩電平方波，記為vp。從開關周期尺度考慮，輸出電壓為脈寬相同、幅值相反的兩電平方波；從交流基頻考慮，輸出電壓幅值隨交流電壓幅值的變化而變化。交流側輸出電壓波形如圖3所示。值得注意的是，由于矩陣變換器的輸入為正弦交流電，勢必存在電壓過零點，因此應注意觸發脈沖的順序，并保留死區，避免開關管直通，導致器件擊穿損壞。當電壓達到過零點附近，死區的范圍宜選取適當，以取得過零點畸變與器件安全性的平衡。

此外，采用類SPWM調制策略，使直流源經全橋變換后輸出一組三電平高頻方波，記為vq。在開關周期正半周，其幅值固定為直流源電壓Vo；在開關周期負半周，其幅值固定為-Vo。其脈寬隨時間按照正弦規律變化，占空比記作d，因此輸出電壓波形的脈寬為d（t）Ts/2。考慮開關頻率遠大于正弦波基頻，因此從開關周期考慮，正負半周期的脈沖寬度可視為近似相等。

本拓撲工作原理的核心是利用變壓器兩側電壓的相位差，通過等效漏感進行能量的雙向傳遞。基于擴展移相調制策略[4]，在矩陣變換器與全橋變換器輸出電壓間引入橋間移相角，在圖2中體現為移相時間變量Δt。即在每個開關周期內，vp和vq這2個波形的對稱中心不完全一致，而是距離一定的時間尺度。進而由電感的電路特性可知電感Lt的電壓波形和電流波形，見圖2中的vL及iL。等效電感兩端的電壓與電感電流的關系如公式（1）所示。

（1）

式中：vL為電感電壓；n為變壓器變比；vp為矩陣變換器輸出電壓；vq為全橋變換器輸出電壓；L為等效電感值；iL為電感電流。

為了便于分析，本文將移相時間變量Δt進行標準化處理，得到公式（2）。

（2）

式中：Δt為移相時間；Ts為開關周期；δ為移相比。

因此，可以在一個開關周期內，根據開關狀態分時間段討論電感電流的情況。由圖2可知，電感兩側的電壓關系存在4種情況，即vp為正值，vq為0；vp和vq同為正值；vp為負值，vq為0；vp和vq同為負值。對于情況一，由公式（1）可知，電感電壓＞0，因此電感電流處于線性增加狀態；對于情況二，電感電壓為負值，因此電感電流處于線性減少狀態。情況三、四則類似。根據對電感電流積分可以進一步發現，輸入電流ii僅與2個變量有關，一是2個變換器間的移相比δ，一是全橋變換器輸出電壓的脈寬，即占空比d，如公式（3）所示。

（3）

式中：為輸入電流在一個開關周期的平均值；n為變壓器變比；δ為2個波形間的移相比；L為等效電感值；fs為開關頻率；Vo為輸出電壓；d（t）為開關管調制占空比。

如果占空比如公式（4）所示，δ被固定為常數，那么輸入電流可以用公式（5）來描述，從而實現與交流電壓的正弦同步相位。假設電感電流在初始時刻為0，則可以實現半個開關周期電感電流回零，即電感電流可實現半周期的伏秒平衡。在一個開關周期內，電感電流iL關于Ts/2時刻呈現奇對稱，可以認為電感電流是周期為Ts/2的類分量。因此即使利用電網側矩陣橋進行切換，電網側電流在Ts/2時也不會出現符號跳變。值得注意的是，d（t）僅在分析的正半周期內討論，因為它是一個具有實際意義的正量。如果擴展到整個基頻周期，絕對值可以等效忽略。

（4）

（5）

進而根據能量守恒關系，控制以上2個變量就可以調節輸出電壓。當開環運行時，2個變量均可以取定值。但是為了更好地動態跟隨效果和系統抗干擾性，可以設計相應的閉環控制結構，以實現目標輸出電壓。

3 仿真驗證

根據上文所介紹所述變換器工作原理，本文在MATLAB/

Simulink平臺搭建仿真模型。其中，輸入交流源采用220V正弦波，即國內標準單相交流電壓有效值；直流側電壓設計為400V，主要考慮常規車載儲能電池的電壓等級；高頻隔離變壓器變比設為1∶1，等效漏感為300μH；整個系統共采用12個開關管，開關頻率設定為10kHz。任意一開關周期的仿真結果如圖4所示。

圖4展示了電感兩側電壓波形與電感電流的關系，其中短虛線表示矩陣變換器的輸出電壓vp，長虛線表示全橋變換器輸出電壓vq，2個波形之前存在一定的相位差。電感電流iL與矩陣變換器輸出電壓vp保持同方向（回流部分除外），實現了功率的正向傳輸。此外，電感電流在半個開關周期時刻值為零，實現了零電流開關，因此可以降低開關損耗，減少開關噪聲，使該變換器具有較好的軟開關特性。當2個電壓波形的相位關系與圖3所示相反時，可以實現功率的反向傳輸，這里不再贅述。

4 樣機測試

本文實驗平臺主要由3個部分組成，分別為功率電路、控制電路以及驅動模塊。功率電路包括LC濾波器、矩陣變換器、高頻變壓器以及全橋變換器。其中矩陣變換器由8個開關管組成，兩兩成一組，共發射極并聯；全橋變換器由4個開關管組成，所涉及開關管均采用英飛凌品牌的IGBT，并反向并聯單向二極管。硬件電路的12個開關管均由各自的驅動模塊單獨控制，避免信號干擾。驅動模塊是基于光耦隔離芯片A316的典型電路，不僅能達到IGBT的驅動功率，還具有開斷速度快、過流保護等特性。控制電路則由DSP+FPGA雙控制器實現，能夠進行底層算法處理且復雜算法運算速度較快。

試驗方案選用功率正向傳輸模式，交流電源連接在矩陣變換器一側，中間由高頻隔離變壓器連接全橋變換器至阻性負載，利用變壓器漏感進行能量交換。在測試過程中，直接給定2個調制自由度，進而驗證該雙向AC/DC變換器的基本工作特性。任意一個開關周期的測試波形如圖5所示。可以看出，變壓器兩側電壓vp和vq存在一定相位差，進而能夠通過電感進行能量傳輸。從電感電流波形也可以看出該變換器具備軟開關特性，從而能降低開關損耗，提高變換器效率。

5 結論

本文介紹了一種基于DAB的單級式隔離型雙向AC/DC變換器，對其電路拓撲、工作過程進行了詳細分析，使用MATLAB/Simulink軟件進行仿真測試，并搭建了一臺3kW樣機進行驗證，仿真和測試結果證明了該電路的高性能和廣闊的應用價值。

參考文獻

[1]何蛟，張謙然．“雙碳”背景下電動汽車充電基礎設施軟硬件發展趨勢研究[J].科技與創新，2021（18）：92-93，96.

[2]趙彪，安峰，宋強，等.雙有源橋式直流變壓器發展與應用[J].中國電機工程學報，2021，41（1）：288-298.

[3]王長華，蔣曉明，楊海波，等.基于能量回饋并網系統的雙向AC/DC變換器設計[J].自動化與信息工程，2018，39（3）：10-15，21.

[4]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）：3889-3899．