双向有源桥式电路的移相控制策略改进研究

赵转 李星宇

摘要：双向有源桥式电路是目前中低压DC/DC变换器中的最常用拓扑结构，具有功率双向流动、控制简便、电压传输范围广等优点，已成为电动汽车充电桩、电力电子变压器、不间断电源等需要双向直流功率传输的应用首选。但传统的双向有源桥式电路单移相控制策略存在功率回流等影响变换器效率的现象，为此，提出了采用双移相控制策略对其进行改进，减少功率回流现象的发生，从而提高变换器效率。通过仿真验证了该改进控制策略的可行性。

关键词：双向有源桥式电路;控制策略;移相控制

0 引言

随着近些年电力电子技术的发展，特别是电动汽车、直流配用电系统、数据中心高品质电源的发展，人们对DC/DC功率变换器的需求日益凸显。大量的直流变换场景对电能的双向流动能力、直流设备的功率密度、电压输入与输出范围都有较高要求。双向直流变换器主要可以实现电压变换和能量的双向流动，其拓扑结构可以通过将单向直流变换器的二极管换成半控型开关管或全控型开关管（如功率MOSFET、IGBT、IGCT等）而得到。

根据双向直流变压器中是否有隔离变压器，可以将其分为隔离型双向直流变换器和非隔离型双向直流变换器。非隔离型双向直流变压器通常主要有以下6种基本拓扑形式：Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic和Zeta。非隔离型双向直流变压器将其中的二极管换成可控器件后，就可以实现双向直流变换，但输入输出侧没有隔离，因此应用范围较窄。而在非隔离拓扑的基础上增加中高频变压器，并控制变压器两侧可控型器件不同时刻的通断，可实现隔离型双向直流变压器的电压变换。

双向有源桥式电路（dual active bridge，DAB）使用全控型器件IGBT，且结构完全对称，能够实现双向输入输出，因此在中压大功率直流变换场景中应用较广泛。该拓扑目前常用的控制方式是单移相控制策略。该策略是将两端可控器件的驱动信号根据传输功率的变化错开一个相角差，通过改变相角差的大小调节传输功率。当相角差为负时，即功率由二次侧传向一次侧，因此通过相角差的调节也可以实现能量的双向流动。但单移相控制策略在运行过程中，会存在电压与电流相位相反的情况，这种情况会导致短时间的传输功率与需求功率方向相反，被稱为功率回流。

改变拓扑结构可以达到提高变换器运行特性的目的，但是这类方法往往会增加电路的复杂性，也对电路成本和控制等方面带来一定的影响。因此，本文在不改变电路拓扑的情况下，在单移相控制策略基础上增加一次侧器件驱动信号的相角差，此时DAB有2组相角的控制自由度，可以有效减小回流功率，从而提高拓扑的运行效率。本文通过在MATLAB/Simulink中的仿真，对单移相控制策略和双移相控制策略进行了比较，验证了双移相控制策略的可行性。

1 DAB拓扑结构介绍

DAB拓扑如图1所示，输入侧和输出侧各有1个稳压电容，然后中间高频变压器与2个H桥相连。中频变压器前端有1个功率电感，功率电感和变压器的漏感共同用于传输功率。传统的单移相控制策略中S1和S4驱动信号相同，S2和S3驱动信号相同，S1和S2驱动信号相反。而逆变侧S5和S8驱动信号相同，S6和S7驱动信号相同，S5和S6驱动信号相反。根据传输功率的不同，移相角就是S1和S5之间的相角差，通过改变这个差值，控制两端功率传输。

2 双移相控制策略分析

单移相控制策略在运行过程中会存在交流侧电压和电流相位相反的情况，在功率电感的电流波形中这种情况表现明显。而DAB中各自交叉桥臂的驱动波形相同，总共分成4个变换阶段。因此，功率电感的电流波形共有4段折线变化。

本文提出的双移相控制策略在S1和S4之间增加一个设定的开环移相角，相同的开环移相角也存在于S2和S3之间。二次侧的4个开关管驱动波形不变。在这种情况下，双移相控制策略中电感的电流比单移相控制策略中电感电流多出几个转折状态，从而实现在某些时刻交流侧电压存在零电压过渡状态，减少了功率回流现象。

3 仿真模型验证

本文在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型，输入直流电压为200 V，输出直流电压为48 V，仿真时间为0.5 s。单移相控制策略仿真的电压输出波形如图2所示，从图中可以看出，DAB拓扑在接近0.1 s时输出进入稳态，其中输出电压为46.5～49 V。设定的输出电压为48 V，电压波动量为3%左右。双移相控制策略仿真的电压输出波形如图3所示，从图中可以看出，DAB拓扑在0.05 s左右输出电压即可进入稳态，其中输出电压为47～49 V。设定的输出电压也为48 V，此时电压波动量为2%。通过图2和图3的对比可以看出，采用双移相控制策略时，DAB拓扑的输出电压调整时间减小，电压波动量也减小。这是因为与单移相控制策略相比，双移相控制策略的功率回流较小，因此传输的能量能更快满足输出侧，可以缩短电压调整时间。而功率回流意味着输出侧向输入侧传输一定的功率，在传输过程中必然会带来输出侧电压的波动。因此，功率回流减小，也就意味着输出侧电压波动减小。

4 结论

本文通过对双向有源桥式电路单移相控制策略的分析以及对所提双移相控制策略的分析，并将两种控制策略进行比较，可以得出：

（1）移相控制策略会带来功率回流现象，并且这种现象无法消除，只能通过控制的方法减少功率回流现象。

（2）与单移相控制策略相比，双移相控制策略可以有效减少功率回流现象。

（3）采用双移相控制策略可以缩短拓扑的输出电压调整时间，减小输出侧的电压波动量，这也是减少功率回流现象带来的好处。

因此，双向有源桥式电路的双移相控制策略与单移相控制策略相比，其控制复杂度并未大量增加，但对输出电压和拓扑效率具有显著的改善作用。

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