隔离式双向有源全桥控制策略分析及仿真研究

陈树君，易榕仙，张景璋，余 悦

(北京工业大学材料与制造学部，北京 100020)

与Buck、Boost、正反激等传统DC-DC 变换器相比，双向有源全桥(DAB) DC-DC 变换器具有电气隔离、高功率密度、宽电压传输范围和易于实现软开关等优点，在分布式发电系统[1]、新能源汽车[2-6]和储能系统[7-8]等领域中获得越来越多的应用。由于DAB 拓扑中开关管较多，普通的全桥控制策略无法适用，因此学者们提出了多种DAB 控制策略，如单移相控制(SPS)、扩展移相控制(EPS)和三移相控制(TPS)等。DAB 控制复杂，在设计拓扑之初，需要建立仿真模型，对控制策略进行仿真分析。刘等[9]基于Matlab/Simulink 搭建电路拓扑模型进行仿真，发现双移相(DPS)控制策略可以有效降低系统回流功率；Kumar 等[10]基于Matlab/Simulink 搭建电路拓扑模型仿真DPS 控制策略的电流及电感变压器损耗。由以上可知，DAB 仿真多是采用Matlab/Simulink 仿真软件，可以在算法层面快速准确地建立模型进行仿真，但无法观测系统和器件的响应。而目前主流的电力电子系统和器件仿真软件有PSIM、PSpice、Saber 等，其中PSpice 能够根据芯片数据手册构建较为完整的器件模型，仿真结果较为准确，是目前使用最为广泛的电力电子仿真软件。

目前DAB 仿真分析均是集中在算法层面，所采用的仿真模型均是理想器件，针对该问题，本文基于PSpice 仿真软件建立实际器件模型，并搭建双向有源全桥DC-DC 变换器电路拓扑模型。仿真分析其在不同控制策略下的电流及回流功率特性，并与理论计算相比较，验证所建仿真模型及仿真方法的准确性，为后续研究提供设计思路。

1 DAB 工作原理

DAB 主电路拓扑结构由两组IGBT 全桥电路、高频变压器、辅助电感及滤波电容构成，如图1 所示。其中，U1为输入电压，U2为输出电压，C1、C2为滤波电容，S1～S4为变压器原边全桥IGBT 开关管，S5～S8为变压器副边全桥IGBT 开关管，变压器原边与副边匝数比为n∶1，原边全桥不同桥臂之间存在移相时间D1Ths，其中，Ths为半个开关周期时间，D1为原边全桥内移相比；副边全桥不同桥臂之间存在移相时间D2Ths，其中D2为副边全桥内移相比；原边全桥与副边全桥之间存在移相时间D3Ths，其中D3为副边全桥不同桥臂的内移相比。D3＞0，D1，D2=0 时的控制策略称为SPS 控制策略，D1,D3＞0，D2=0 时的控制策略称为EPS 控制策略，D1,D2,D3＞0 时的控制策略称为TPS 控制策略。

图1 双向有源全桥DC-DC 变换器

以SPS 为例对DAB 工作模式进行分析，图2 为不同工作模式波形图。变压器原边和副边全桥IGBT 开关管分别由占空比为50%的驱动方波电压Uh1和Uh2驱动，由于变压器原副边存在内移相比，Uh1和Uh2之间也存在移相时间D3Ths。为方便分析，假设双向有源全桥DC-DC 变换器工作在稳定状态，忽略IGBT 开关死区时间，各器件均工作在理想状态下。

图2 基于SPS控制策略的工作波形

在一个开关周期内，DAB 有以下六种状态。

(1)状态1，即t0～t1阶段，电路工作状态如图3(a)所示，t0时刻，开关管S2、S3关断，S1、S4开通。由于前一个时刻流过电感电流为负，因此t0时刻，原边通过D1、D4二极管续流，直到电流由负变0，即到t1时刻；副边开关管S6、S7开通，S5、S8关断，电流通过D6、D7二极管续流。此时，原边全桥输出电压为U1，副边全桥输入电压为－U2，电感电流iL可以表示为：

(2)状态2，即t1～t2阶段，电路工作状态如图3(b)所示，t1时刻，原边电流由负变正，电流从开关管S1流入，经电感L、变压器从S4流出，电流正向增长；副边电流通过开关管S6、S7进行续流。此时，原副边全桥输出电压均保持不变，电感电流表达式与状态1 相同。

(3)状态3，即t2～t3阶段，电路工作状态如图3(c)所示，原边电路工作状态不变，副边开关管S6、S7关断，S5、S8打开，通过二极管D5、D8进行续流。此时，原边全桥输出电压为U1，副边全桥输入电压为U2，电感电流表达式为：

(4)状态4，即t3～t4阶段，电路工作状态如图3(d)所示，t3时刻，开关管S1、S4关断，由于电流为正，原边电流经二极管D2、D3续流，直到电流由正变为0，即t4时刻；副边仍经二极管D5、D8续流。此时，原边全桥输出电压为－U1，副边全桥输入电压为U2，电感电流表达式为：

(5)状态5，即t4～t5阶段，电路工作状态如图3(e)所示，t4时刻，原边电流由负变正，从开关管S3流入，经变压器、电感，从开关管S2流出；副边电流经开关管S5、S8进行续流。此时，原副边全桥输出电压保持不变，电感电流表达式与状态4 相同。

(6)状态6，即t5～t6阶段，电路工作状态如图3(f)所示，原边电路工作状态保持不变，副边电流开关管S5、S8关断，S6、S7开通，电流经二极管D6、D7续流。此时原边全桥输出电压保持不变，副边全桥输入电压反向，电感电流表达式为：

图3 一个开关周期电路工作状态

结合式(1)～(4)以及图2 所示波形可以得到在SPS 控制时，最大电流与回流功率分别为：

式中：D为原副边全桥外移相比；k=U1/(nU2)。

传输功率、电流经过标幺化，其表达式分别为：

将式(7)代入式(8)，求得最优电流表达式为：

EPS 和TPS 基于SPS 控制策略得到，其工作模式分别如图4 所示，电流、回流功率及最优电流推导与SPS 相同。

图4 基于不同控制策略的工作波形

基于EPS 控制的最大电流、回流功率分别为：

式中：D1、D2分别为原边全桥内移相比及原副边全桥外移相比。

最优电流表达式为：

基于TPS 控制的最大电流、回流功率分别为：

最优电流表达式为：

2 DAB 电路仿真

2.1 仿真模型搭建

根据设计要求，双向有源全桥DC-DC 变换器输出电压为50 V，最大输出电流为50 A，因此选择原副边IGBT 型号为英飞凌公司的FF100R12RT4，额定输出电流为100 A，满足设计要求。PSpice 软件自带模型编辑器Model Editor，该编辑器有两种建模方法，一种是基于特性曲线建模，另一种是基于特征参数建模，本文采用基于特征参数建模。根据FF100R12RT4 数据手册，在Model Editor 中对IGBT 进行建模，所建模型主要参数如表1 所示。

表1 FF100R12RT4 主要参数

图5(a)为在PSpice 中搭建的双向有源全桥DC-DC 变换器拓扑结构仿真模型，图5(b)为IGBT 驱动电路模型，驱动电压为15 V/－8 V，保证IGBT 可靠的导通和关断，图5(c)为驱动电路所输出的驱动波形，与实际驱动波形一致。

图5 DAB仿真模型

该模型相关参数如图5(a)所示，图中所列参数均为实际设计参数。输入电压为540 V，为三相电整流滤波后得到的直流母线电压，经原边全桥IGBT 逆变产生高频方波，通过高频变压器传递到变压器副边。副边经全桥IGBT 之后，再经滤波电容滤波，最终输出近似恒定的50 V 电压。变压器匝比为7∶1，由两个电感耦合组成，耦合系数设为1，即变压器原副边完全耦合。

2.2 仿真结果

在保持输入电压540 V，输出电压恒定50 V 条件下，对三种控制策略的电流以及回流功率进行仿真分析。

图6 为三种控制策略下原副边全桥输出电压及电感电流的PSpice 仿真波形，此时SPS 控制策略下移相比D为0.62，电感电流最大值为17.06 A，将移相比D和电压变换比k代入式(5)计算最大电流iSPS_max=17.15 A；EPS 控制策略下移相比D1=0.1，D2=0.68，电感电流最大值为16.18 A，将移相比和电压变换比代入式(10)计算最大电流iEPS_max=16.2 A。TPS 控制策略下移相比D1=0.16，D2=0.32，D3=0.44，电感电流最大值为14.4 A，将移相比和电压变换比代入式(13)计算最大电流iTPS_max=14.23 A。

图6 三种控制策略下原副边全桥输出电压及电感电流波形

以上三种控制策略的最大电感电流的PSpice 仿真结果与理论计算结果相吻合，表明所建DAB 拓扑结构仿真模型较为准确，将移相比与电压变换比代入式(6)计算基于SPS 控制策略的回流功率PSPS_bf=1 506 W。同理计算基于EPS 控制策略的回流功率PEPS_bf=798 W，基于TPS 控制策略的回流功率PTPS_bf=258 W。

结合以上计算及图6 分析，基于TPS 控制策略的最大电流相较于SPS 控制策略降低15.6%，为2.66 A，回流功率降低82.9%，为1 248 W；基于TPS 控制策略的最大电流相较于EPS控制策略降低11%，为1.78 A，回流功率降低68%，为540 W。在输出电压相同的情况下，采用TPS 控制策略，其电流、回流功率及器件负荷最小，负载消耗大部分功率，小部分功率回流到电源，能量利用率高。

图7 为基于SPS、EPS、TSP 控制策略的最优电流对比曲线，对于相同的传输功率P0，三种控制策略的最优电流均随着电压变换比k增大而增大；同理，对于相同的电压变换比k，三种控制策略的最优电流均随着传输功率P0增大而增大。相同传输功率情况下，当k=1 时，三种控制策略的最优电流相等；当k＞1 时，基于TPS 控制策略的最优电流始终小于前两者，且k值越大，基于TPS 控制策略的最优电流与前两者差值越大。相同电压变换比情况下，传输功率P0越大，基于TPS控制策略的最优电流与前两者差值越大。理论分析表明，DAB 工作在较大电压变换比和轻载状态下，TPS 控制策略可以有效减小电流，降低器件损耗。

图7 基于TPS、EPS、SPS 控制策略的最优电流对比曲线

3 结论

本文对DAB 分别在SPS、EPS 和TPS 控制策略下工作模式进行了分析，经过理论推导得到电流和回流功率计算公式。基于PSpice 仿真软件建立了实际器件模型，并搭建了双向有源全桥DC-DC 变换器电路拓扑模型。通过仿真，得出三种控制策略下的电流和回流功率。结果表明，TPS 控制策略下，电流、回流功率及器件负荷最小，有小部分功率回流到变压器一次侧，能量利用率最高，仿真结果与理论计算结果相吻合。验证了所建仿真模型及仿真方法的准确性，能够真实地显示电路工作特性，为后续深入研究提供参考。