全桥隔离DC/DC变换器相移控制方法研究

袁雪

(西南交通大学 电气工程学院,四川 成都 610031)

全桥隔离DC/DC变换器相移控制方法研究

袁雪

(西南交通大学 电气工程学院,四川 成都 610031)

隔离DC-DC变换器作为电力电子变压器机车牵引变流器的重要部分。重点对全桥拓扑的相移控制算法开展了研究。首先，分析了变换器的拓扑及其工作原理，并建立了基于开关函数的变流器数学模型。然后，分别对传统相移控制、扩展相移控制以及双重相移控制三种典型相移控制方法进行了理论对比研究，分析了变换器中存在回流功率的现象，并给出了满足最大输出功率时相应相移量的最佳取值范围。最后，研制了1.5 kW小功率实验平台并进行了实验验证，实验结果表明：与传统相移控制相比，扩展相移控制和双重相移控制均可以提高系统效率，且双重相移控制系统效率最高，在额定工作状态下，系统效率可达到93%。

扩展相移控制;双重相移控制;全桥隔离DC-DC变换器;回流功率; 1.5 kW小功率实验平台

0 引 言

中国具有人口众多、内陆深广等特征，大规模人口流动是我国多年来面临的难题，高速铁路是解决该问题的一种既安全快捷、又环保可靠的交通方案[1]。我国高速列车技术正处于再创新阶段，其技术标准化以及占领世界高速列车技术的制高点与引领其发展方向显得尤为重要[2-3]，智能化与高效节能环保化是高速列车与重载机车的发展方向。

轻量化是列车发展高效节能的关键技术之一，车载电气化设备的轻量化也显得十分重要。车载电气设备中，工频牵引变压器的重量几乎可达总重的三分之一，目前，众多研究关注于牵引变压器的小型轻量化和去工频化[4]。随着新型电力电子器件的研制和发展，多电平变流技术为电力牵引交流传动系统提供了发展方向[5]，其中采用中频中压变流器结构取代传统笨重的工频变压器的电力电子变压器机车成为了研究的热点。例如，2011年瑞士ABB公司研制了1.2 MW电力电子变压器试验机车，这对电力电子变压器机车的应用起到了引导的作用。

文献[6]给出了一种电力电子机车牵引传动系统拓扑，其电路拓扑如图1所示。该拓扑由前级级联H桥整流器、全桥隔离DC-DC变换器、三相逆变器和三相交流电机等组成。

图1 电力电子变压器机车交流传动系统

本文基于图1中的电力电子变压器机车交流传动系统，对其中全桥隔离DC-DC变换器开展研究。在大功率环境应用中，考虑到开关器件频率的限制，相移控制成为全桥隔离DC-DC变换器的典型控制方法。传统相移控制能完成功率双向传输，且控制方便[7]。但由于未采用软开关技术减小开关切换过程中的电压冲击和开关损耗，变换器效率较低，并且传统相移控制算法存在回流功率大、峰值电流过大、开关应力过大、输出端滤波电路体积大等缺点[8]。

为优化传统相移控制全桥隔离DC-DC变换器的控制效果，国内外学者提出了多种新型的相移控制方法[9]，其主要分为扩展相移控制和双重相移控制[10-11]。

本文主要对全桥隔离DC-DC变换器的三种典型相移控制算法进行对比分析和优化设计研究。分析了相移控制中变换器存在的功率回流现象，并建立了三种相移控制的输出功率和回流功率模型，然后，为易于控制和设计，给出了满足最大输出功率时相移量的最小取值范围。为减少变换器的电压冲击和开关噪声，设计了一种简单的零电压开关(zero-voltage switching ,ZVS)实现方法，并给出了三种相移控制方法实现ZVS的约束条件。最后，搭建1.5 kW小功率实验平台对三种控制方法进行对比实验验证。

1 相移控制方法分析

在无工频牵引变压器电力牵引传动系统应用中，全桥隔离DC/DC变换器前级采用级联四象限脉冲整流器供电，输入电压VDCin较为稳定，故本节将在VDCin=VDCo/n的基础上进行分析，以便于简化分析和控制。

1.1 传统相移控制

传统相移控制的波形示意图如图2所示。

图2 传统相移控制波形图

其中TS为开关周期，D为H桥之间开关控制信号的相移。传统相移控制通过控制D来调节输出功率P。

图3 传统相移控制P和Q随D变化规律

可得到P和Q随D的变化规律如图3所示。

由图3可知，仅当D=0时，Q=0，故工作状态下Q不为零，并且随着D的增加而回流功率Q逐渐增大。

1.2 扩展相移控制

图4 扩展相移控制波形图

扩展相移控制波形示意图如图4所示。

对比图4和图2可知，D2与D一样，都是H桥开关控制信号之间的相移，而扩展相移控制在原边H桥斜对管控制信号之间增加相移D1。扩展相移控制通过控制D1和D2来调节输出功率P。

结合传统相移公式和图4，可得t0到t3对应的电流:

(1)

输出功率P可表示:

(2)

对式中功率P求变量D1的偏导，并令其偏导值为0，可得:

(3)

则有:

(4)

同理，对式中功率P求变量D2的偏导，并令其偏导值为0，可得:

(5)

则有:

(6)

在满足输出功率范围最大的情况下，可得:

(7)

在VDcin=VDCo/n时，可得回流功率为:

(8)

图5 扩展相移控制P和Q随D1、D2变化规律

设n=1，VDCin=VDCo/n=150 V，L=0.2 mH，Ts=1.25 e-4 s，可得到P和Q随D1、D2的变化规律如图5所示。

对比图5与图3可知，在D2=D时，扩展相移控制可通过控制D1限制回流功率，并具有更大的功率传输范围。在输出功率一定时，合理配置D1与D2，可有效减小Q，其中当D1>2D2时，Q=0，如图8(a)中的三角形阴影区域所示。

1.3 双重相移控制

双重相移控制波形示意图如图6所示。

图6 双重相移控制波形图

对比图6和图2可知，D2与D一样，都是H桥开关控制信号之间的相移，而双重相移控制在原副边H桥斜对管控制信号之间都增加相移D1。双重相移控制通过控制D1和D2来调节输出功率P。

同理，结合传统相移公式和图6，可得t0到t4各点对应的电流分别为:

(9)

输出功率P可表示:

(10)

对式中功率P求变量D1的偏导，并令其偏导值为0，可得:

(11)

则有:

(12)

同理，对式中功率P求变量D2的偏导，并令其偏导值为0，可得:

(13)

则有:

(14)

在满足输出功率范围最大的情况下，可得:

(15)

在VDcin=VDCo/n时，可得回流功率为:

(16)

图7 双重相移控制P和Q随D1、D2变化规律

设n=1，VDCin=VDCo/n=150 V，L=0.2 mH，Ts=1.25e-4 s，根据式和可得到P和Q随D1、D2变化的规律如图7所示。

对比图7与图3可知，虽然Q随D2的变化一致，但在D2=D时，双重相移控制可通过控制D1增加功率传输范围，在P一定时，选择合适的D1与D2可有效减小回流功率Q。

2 实验研究

本文以TMS320F28335为控制器研制了全桥隔离DC-DC变换器实验平台，表1给出了全桥隔离DC-DC变换器实验系统的主要电路参数。

在额定功率下，开关切换点的电流大约为15 A(以传统相移控制为计算目标，即为峰值电流)，电压变化ΔUc为150 V，设定死区时间tdl为1 μs，经过计算，选取缓冲电容值为0.1 μF。

2.1 移相控制实验结果

由图8可知，扩展相移控制和双重相移控制相对于传统相移控制有效的增加了系统效率，且双重相移控制效果更加，其在额定工作状态下，系统效率可达到93.14%。

图8 三种控制方法的效率对比

图9 三种额定功率时的实验波形

图9给出了在额定功率时三种控制方法实验波形。

对比图9中三种控制方法的电压波形，引入零状态(Sa=0或者Sb=0)减小对开关切换时的电压冲击。

3 结束语

本文以无工频牵引变压器电力牵引传动系统为应用背景，对其中全桥隔离DC/DC变换器开展研究，首先建立了基于开关函数的全桥隔离DC/DC变换器数学模型。分析了相移控制中存在的回流功率现象，推导了传统相移控制、扩展相移控制和双重相移控制三种控制方法的回流功率和输出功率的数学描述；为实现传统相移控制、扩展相移控制和双重相移控制三种控制方法输出最大功率，分别给出了这三种算法的相移量最小取值范围。研制了1.5 kW小功率实验平台并开展三种控制算法的实验对比研究，理论和实验结果表明：

表1 全桥隔离DC-DC变换器系统参数

(1)在文中给出的控制相移量范围内，除扩展相移控制，均能实现软开关条件，其中扩展相移控制要满足D1<2D2；

(2)与传统相移控制相比，扩展相移控制和双重相移控制可以有效提高系统效率，且双重相移控制系统效果最明显；

(3)在相移控制中加入零开关状态能有效减小开关切换时电压冲击，减小功率损耗。

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A Research on Phase-shift-control of the Full-bridge-isolated DC/DC Converter

Yuan Xue

(College of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031, China)

This paper focuses on the phase-shift control algorithm of the full-bridge topology of the isolated DC-DC converter, an important part of the locomotive traction converter of the power electronic transformer. Firstly, the topology of the converter and its working principle is analyzed, and a mathematical model of the converter is established based on the switch function. Then, we make a theoretical comparison among three typical phase shit methods, namely traditional phase shift, extended phase shift control and dual phase shift control, analyze the phenomenon of return power in the converter, and give the optimal range of the phase shift magnitudes which satisfies the maximum output power. Finally, a 1.5kW small power experiment platform is developed and experimental verification is made. Experimental results show that, compared with traditional phase shift control, the extended phase shift control and dual phase shift control can both improve system efficiency, and the dual phase shift control can reach a system efficiency of 93% in its rated operation status, the highest among them all.

extended phase shift control; dual phase shift control; full-bridge-isolated DC-DC converter; return power; 1.5 kW small power experiment platform

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.003

TM41/47

A

1000-3886(2017)04-0007-04

定稿日期: 2016-11-07

《中国铁路总公司科技研究开发计划重点课题》(项目编号：2015J008—E)

袁雪(1992-)，女，河南信阳人，研究生，硕士学位，研究方向：电气工程及其自动化，电子应用技术。