基于双重移相的双向全桥DC-DC变换器优化开关策略

赵 龙，赵兴勇，高鹏彦，李 越，任 帅

（山西大学 电力工程系，太原 030013）

随着低压直流微电网的发展，在未来智能电网和能源互联网中，各种分布式电源和储能等都需要功率转换系统PCS（power conversation system）才能接入电网[1]。近年来，采用隔离型双向全桥DC-DC变换器可以使电能双向流动，在风力发电、电动汽车电源系统、和储能系统等低压直流系统中得到越来越广泛的应用[2]。作为一种广泛应用于中低压直流微电网系统中实现功率变换的装置，双全桥变换器，或称双主动全桥 DAB（dual-active-bridge）变换器，它的优点很多，包括传输功率大、结构对称、双向功率传输、动态响应快、软开关易实现，尤其适合中大功率应用场合[3]。

目前，国内外对该电路的研究主要集中在其基本特性、拓扑结构、软开关及控制方法等方面，当前针对双重移相DPS（dual-phase-shift）控制方式下的双向全桥变换器的研究，诸多文献只是研究了变换器的工作原理及其稳态功率传输特性，与传统单移相 SPS（single-phase-shift）控制方式相比，双重移相控制能大幅度减小回流功率，从而提高变换器整机效率[4]。但对于双向全桥变换器在传输相同功率时电流应力最优开关策略的研究还不是特别深入。此处在DPS控制方式的基础上，对于传统移相控制的特定传输功率，提出一种电流应力最优开关控制模型，使双主动全桥DC-DC变换器达到最优的表现性能，最后基于Matlab/Simulink搭建仿真模型。

1 双重移相控制的工作原理及电流应力最优开关模型

图 1所示为双向全桥（DAB）DC-DC变换器的基本拓扑结构。其中U1、U2分别为变换器原边和副边的直流端电压，UH1、UH2分别为原边与副边全桥折算到原边交流输出端电压，电感L两端电压表示为UL，电感电流表示为iL，开关周期表示为TS。

图1 双向全桥 DC-DC变换器Fig.1 Bidirectional full-bridge DC-DC converter

双移相（dual-phase-shift）控制是目前研究DAB的一种比较典型的控制方法，其控制波形如图2所示，相比SPS控制，在DPS控制中，两侧全桥内均存在内移相比，并且2个内移相比相同，上下桥臂180°互补导通，因此在变压器两侧的交流电压均为三电平波。

DPS控制是通过减少回流功率进而减小电流应力，提高工作效率。在DPS控制中，定义D1为内移相比，D2为外移相比，其中 0≤D1≤1，0≤D2≤1。 双重移相控制下双向全桥DC-DC变换器的具体工作模式在文献[5]中有详细分析，在这里不再赘述。其中，0≤D1≤1，0≤D2≤1。 电感电流 iL可以表示为设：t0=t0′=0，有 t2=D2Ts/2，t1=D1Ts/2，t3=（D1+D2）Ts/2，t4=Ts/2，t1′=D2/2，t2′=D1Ts/2，t3′=（D1+D2）Ts/2，t4′=Ts/2。

图2 DPS控制Fig.2 DPS control

当达到稳态时，由伏秒平衡可知，在一个开关周期内，流过电感的平均电流为零，表1所示为半个周期时间内，DPS控制下电感的峰值电流取值。

表1 半个周期内DPS控制的峰值电流Tab.1 Peak current of DPS control in half cycle

为方便计算，取传输功率的标幺值，以传统移相控制方式下的最大传输功率为基准值，根据表1可以推导出在双重移相控制下的功率传输模型为

变换器电流应力的大小取决于电感电流的最大值，以电压变化比k≥1为例，取为基准值，GDPS定为标幺值，得到电流应力为

对于给定的传输功率P0，根据式（2）得出：

结合式（3）与式（4），可得：

根据上式及其求导可以得到电流应力GDPS1和GDPS2的最小值及整体电流应力最小值。

图3所示为本文提出的一种电流应力最优开关策略的控制模型。

图3 DPS控制的电流应力最优开关控制模型Fig.3 Current stress optimal switch control model controlled by DPS

图3中在DPS模式中，内移相比D1设定为固定值D1′，而D2由PI控制器根据功率和电压计算求得，实际上，若 D1′＝0，即为传统移相控制。 IDPS（improved-dual-phase-shift）表示改进 DPS控制模式，在IDPS模式中，内移相比D1由电流应力最优开关模型计算求得，而D2由PI控制器根据功率和电压计算求得。该模式下的控制系统主要由功率、电压变换比计算模块、PI控制模块和最优电流应力控制模块组成。所提出的控制模型是以外移相比D2作为电压和功率传输的控制量，再由PI控制模块反馈计算得到，以满足变压器的运行要求，而内移相比D1作为电流应力的优化量，由最优开关模型求得，这样便可使变换器优化运行。

2 仿真分析

为了验证本文所提改进DPS控制模式下，电流应力最优开关策略的合理有效性，通过Matlab/Simulink软件搭建仿真模型，仿真波形如图4、图5所示。从图中可以看出，两种模式下的电流应力均不相同。在IDPS模式下，电感电流的最大值相比DPS模式要小，说明改进DPS控制策略产生的电流应力更小。

图4 DPS控制模式实验波形Fig.4 DPS control mode experimental waveform

图5 改进DPS（IDPS）控制模式实验波形Fig.5 Improved DPS（IDPS）control mode experimental waveform

当传输功率和电压变换比相同的情况下，图6给出了在传统DPS模式和改进DPS（IDPS）模式下，电流应力随原边电压V1和电压变换比D1的变化曲线。从图中可以得到，在两种模式下，电流应力均会随着输入电压V1的增加而增加，针对不同的内移相比D1，DPS模式下的电流应力也大有不同。相比之下，改进的DPS模式会产生最小的电流应力。

图6 电流应力最优开关策略下电流应力实验曲线Fig.6 Current stress experimental curve under current stress optimal switching strategy

图7给出了在传统DPS模式和改进DPS（IDPS）模式下，变换器效率随原边电压V1和电压变换比D1的变化曲线。从图中可以看出，IDPS模式下，双向全桥变换器的效率要高于传统DPS模式，尤其在电压变换比较大的情境下。大部分情况下，变换器的效率在电流应力最优运行点时均会取得最大值。

3 结语

图7 电流应力最优开关策略下效率曲线Fig.7 Efficiency curve of current stress optimal switching strategy

本文通过分析双主动全桥DC-DC变换器在双重移相控制下的传输功率模型，对传统的双重移相控制进行改进，以内移相比作为电流应力的优化量，提出一种改进的双重移相控制，并且设计了电流应力最优开关控制策略。通过Matlab/Simulink仿真得到以下结论：①对于不同的内移相比，电流应力都会随着输入电压的升高而升高，而改进的DPS控制方式会产生最小的电流应力；②所提优化开关控制策略可以进一步的提高双向全桥DC-DC变换器移相控制的电流应力和效率表现性能，而且随着电压变换比的增加效果更加明显，在轻载状态下效果更突出。