基于双重移相控制的全桥DC-DC变换器峰值电流控制

张华勇，凌跃胜 ，庞天宇，李双超

(河北工业大学 电气工程学院，天津 300130)

0　引　言

双向DC-DC变换器中双H桥变换器由于其电气隔离、升降压变换、双向能量传输、高功率密度、零电压开断等特点被广泛关注，并且能够减小系统体积、重量和成本，在分布式光伏系统，微电网、航空电源、不间断电源和电动汽车等领域有着广泛的应用[1-2]。单重移相控制方式(Single-Phase-Shift,SPS)常应用于全桥DC-DC变换器。这种控制方式相对简单、容易实现，但无法避免在轻载或者输入输出电压不匹配时存在的回流功率大，电流应力过高，损耗大效率低等问题[3-5]。

为了解决SPS控制方式存在的电流应力大、效率低的问题[6-7]，本文分析了双重移相(Dual-Phase-Shift,DPS)控制的工作原理，提出了一种基于传输功率不变来确立变换器中峰值电流的控制方式，有效地减小变换器开关管的电流应力以及隔离变压器的回流功率。

1　双重移相控制的工作原理

典型的全桥双有源DC-DC变换器电路如图1所示，由两个对称的H桥和高频变压器组成。

本文提出的双重移相控制的开关信号、电感电流、电感电压等波形图如图2 所示。

图1　双有源全桥DC⁃DC变换器拓扑

图2中，U1和U2为变换器两侧电压，UL为电感L的端电压，n为变压器变比，Th为半个开关周期，开关频率f=1/(2Th)。D1为U1侧全桥内半个开关周内的移相比；D2为半个周期内U2侧全桥与U1侧全桥的移相比，称为外移相比，存在关系：0≤D1≤D2≤1。

2　DC-DC变换器特性分析

2.1　数学模型

根据图2电流模态的分析，令t0=0，电压调节比K=U1/nU2>1，开关管频率f=1/(2Th)。可以得到各时刻通过电感L的电流应力表达式：

(1)

(2)

(3)

其中，由图2可知：

imax=|i0|

(4)

图2　双重移相控制工作原理波形图

由此，传输功率表达式为：

(5)

当变换器采用传统单移相SPS控制时，其传输功率和电流应力为：

(6)

(7)

2.2　电流应力分析

(8)

(9)

为减小电流应力和提高整个DAB变换器效率，本文提出基于传输功率不变[8]。应用双移相对D1和D2的控制策略，来确定变换器中的最小峰值电流imax。假定DPS控制的传输功率p0一定，即P′=p0，于是有：

F(D1D2μ)=imax+μ(P'-p0)

(10)

式中，μ为拉格朗日乘子。从式(10)看出，不同的移相，D1、D2对应不同的电流应力，因此对方程求解偏微分，有：

(11)

(12)

(13)

依照式(13)，可以得出：

(14)

此时，p0<(1-D12)。

再从式(11)、(12)与(14)推导出：

(15)

此时D1、D2为最优解，将公式(14)、(15)代入公式(8)中，可以得到在参数p0和K条件下DPS控制方式的最小峰值电流比为：

(16)

同样SPS控制方式下的最小峰值电流比：

(17)

根据式(16)可以得到最小峰值电流在传输功率p0和电压传输比K两个参数下的曲线图，如图3所示。

图3　DPS控制峰值电流图

图3为两种控制方式取得最优解D1、D2的条件下峰值电流对应p0与K的曲线，iDPS-min随着传输功率p0或者电压调节比K的增大而增大。

3　实验分析

通过上面的分析，采用双重移相控制且传输功率不变时，最小的峰值电流所对应的移相角是唯一的。为了验证以上分析，本文以TMS320F28335微控制系统设计了100 V输入电压的变换器，开关频率f=50 kHz，变压器漏感L=90.6 μH，变压器变比n1∶n2=20∶10。流过电感L的电流如图4所示。从图中可以看出，当传输功率一定时，在DPS最优移相角控制下的电流应力小于SPS控制的电流应力。

从图5可以看出，在本文提出的基于传输功率的DPS最优移相角控制下变换器的峰值电流最小为16.2 A，优于SPS控制下的18.6 A。相较之下电流峰值减小了12.9%，减弱了电流应力和系统损耗。

图4　不同移相控制下的电流应力仿真图

图5　两种控制方法的电流应力对比

4　结　论

本文分析了DPS和SPS两种控制方法下DC-DC变换器的电流应力，同时推导出了相应的传输功率、峰值电流的数学模型；建立了基于传输功率的DPS控制方法。理论与实验表明，本文提出的控制方法有效地减小了电流峰值。

参考文献：

[1]张勋, 王广柱, 商秀娟,等. 双向全桥DC-DC变换器回流功率优化的双重移相控制[J]. 中国电机工程学报, 2016 , 36 (4) :1090-1097.

[2]Zhao B, Song Q, Liu W,etal. 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):1-1.

[3]杨小康, 李鹤群, 高巧梅,等. 双向全桥DC-DC变换器单移相闭环控制研究[J]. 工矿自动化, 2014, 40(04):63-67.

[4]Kim,Myoungho. A dual-phase-shift control strategy for dual-active-bridge DC-DC converter in wide voltage range[C]. IEEE，2011:364-371.

[5]Haan S W H D, Ferreira J A. Optimal Operating Ranges of Three Modulation Methods in Dual Active Bridge Converters[C]. IEEE，2009:1397-1401.