三电平双有源桥直流变换器的优化调制

郭慧敏， 黄 珺， 宋桂英， 付亚楠， 杨快荣

(1.河北工业大学电气工程学院省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室，天津300130；2.河北工业大学电气工程学院河北省电磁场与电器可靠性重点实验室，天津300130)

随着不可再生能源的日渐匮乏，基于储能系统的新能源发电受到广泛关注。双有源桥DC/DC 变换器(dual active bridge, DAB)在实现能量双向传输的同时，由于具有结构简单、功率密度高、效率高的优点，被广泛应用于储能系统。因此，DAB 的研究对储能系统发展有着重要的意义。

传统的DAB 由学者R.W De Doncker 在20 世纪90 年代提出，在传统拓扑中，当开关管处于关断状态时，承受的电压应力等于整个输入或者输出电压。由于储能系统中的直流电网系统电压较高，为了满足高电压输入或输出，考虑到开关管耐压的有限性，可以将多个传统的DAB 级联，但是增加了结构和控制的复杂性。将三电平结构用于DAB，用耐压低的开关管代替耐压高的开关管，不再使用级联的结构，结构相对简单，控制相对容易。而且，在特定功率下，相比较传统的变换器，中点箝位型三电平双有源桥DC/DC 变换器(threelevel neutral point diode clamped dual active bridge ,TL-NPC DAB)可以运行于更高的电压水平，同时,采用耐压低的开关管减小了导通损耗，提高了变换器的效率。

文献[1]提出了扩展移相控制(EPS)方法，除了桥间移相角之外，在一侧全桥内引入了移相控制，减小了回流功率和电流应力，减小了损耗，增强了灵活性。文献[2]基于EPS 控制，分析了软开关控制范围，以虚拟功率标幺值为控制目标来实现回流功率最小。文献[3-4]基于EPS 控制，以回流功率和电感电流应力为目标进行优化调制，从而使目标变量达到最小。文献[5]在EPS 控制下，以回流功率为目标进行优化调制。上述文献采用的EPS 控制都是基于传统的DAB，虽然控制简单并能达到优化效果，但没有考虑开关管承受的电压应力带来的损耗变大效率变低的问题。文献[6-7]将中点箝位型三电平桥臂引入DAB，在高压侧输入端的三电平全桥中通过控制相关变量，使之输出五电平电压，并建立仿真模型进行验证。文献[8]通过控制五个自由度来控制TL-NPC DAB变换器的输出，增大了控制的灵活性。文献[6-8]因调制策略控制变量过多，不易实现控制。

针对以上问题，本文以TL-NPC DAB 为研究对象，从而解决传统DAB 的电压应力问题。基于脉冲宽度调制加移相控制(pulse width modulation phase shift,PWMPS)方法，提出了一种电流有效值优化调制策略，推导出控制变量间的最优关系表达式，对比分析了两种控制方式下开关管的软开关特性，并搭建实验平台对该调制策略进行实验验证。

1 TL-NPC DAB 的拓扑结构与工作原理

图1 TL-NPC DAB拓扑结构及SPS下的工作波形图

式中：δ 为Vab和Vcd的基波分量之间的移相角，与φ 的关系可以由图2 得到。

2 基于PWMPS 控制的电流有效值优化调制策略

2.1 变换器导通损耗分析

图2 PWMPS 控制下的工作波形

变换器的导通损耗分为开关的导通损耗和磁性元件的铜损，其中开关由开关管和反并联二极管组成，将开关管和二极管等效成一个阻性元件，则开关的导通损耗就是阻性元件的功率损耗，与电感电流有效值的平方成正比；同样，磁性元件的铜损也和电感电流有效值的平方成正比。通过上述分析，变换器的导通损耗正比于电感电流有效值的平方。因此，以电感电流有效值为研究目标，通过对电流有效值进行优化调制可以减小变换器的导通损耗。

根据图2(a)得到，开关模式一标幺后的电流有效值为：

根据图2(b)得到，开关模式二标幺后的电流有效值为：

2.2 电流有效值优化调制策略

为简便计算，本文以电流有效值的平方表达式为目标函数，以传输功率表达式为等式约束建立拉格朗日函数，标准形式如下：

将式(1)～(3)代入式(4)，得到如下关系式：

图3 为d=0.96 时两种控制方式下电感电流有效值i∗L和传输功率P*的关系曲线。由图3 可知，在轻载情况下电流有效值优化调制下的电感电流有效值比单移相控制的小。

2.3 软开关特性分析

图3 iL＊与P＊的关系曲线

当给开关管开通信号时，电流先流经与开关管反并联的二极管，使开关管两端的电压为零，此时开关管开通，电流反向流过开关管，从而实现零电压(zero voltage switch，ZVS)开通。PWMPS 控制下，开关模式一和开关模式二实现所有开关管ZVS 条件分别见表1 和表2。

表1 开关模式一实现ZVS 条件

表2 开关模式二实现ZVS 条件

根据表1 可知，开关模式一实现所有开关管ZVS 的条件为：

根据表2 可知，开关模式二实现所有开关管ZVS 的条件为：

同理，在SPS控制下，所有开关管实现ZVS的条件见表3。

表3 SPS 控制下ZVS 条件

根据表3 可知，当d＜2 时，SPS 控制下实现所有开关管ZVS 的条件为：

将式(8)～(10)代入式(1)，得到PWMPS 控制开关模式一和开关模式二以及SPS 控制实现所有开关管ZVS 的功率范围分别为：

图4 为软开关条件下的传输功率P*与电压传输比d 的关系绘制。其中，区域一是SPS 控制下的ZVS 功率传输范围，区域二是PWMPS 控制下开关模式一的ZVS 功率传输范围，区域一加区域三是PWMPS 控制下开关模式二的ZVS 功率传输范围。

图4 软开关条件下的P＊与d的关系

由图4 可知：在轻载条件下SPS 控制不易实现软开关，而基于PWMPS 控制下的电流有效值优化调制增大了软开关条件下的功率传输范围。随着传输功率的增大，变换器由开关模式一、开关模式二向单移相控制平滑过渡，实现了全功率范围内的软开关。

3 实验结果与分析

为了验证控制策略的有效性，本文以TMS320F28335 为控制器搭建了TL-NPC DAB 变换器的实验平台，实验的控制框图如图5 所示。平台的主要参数如下：V1=100 V，V2=36 V，L=62µH，高频变压器变比2∶1，开关频率为20 kHz。

图5 实验控制框图

传输功率为100 W 的实验波形如图6 所示，当运行于电流有效值优化调制时，电流有效值为2.85 A，相比较于SPS 控制时的3.88 A，减少了27%。传输功率为500 W 的实验波形如图7 所示，当运行于SPS 控制时，电流有效值为7.05 A，运行于电流有效值优化调制时，电流有效值为6.68 A。实验结果均验证了电流有效值优化调制策略的有效性。

图6 P=100 W 实验波形

图7 P=500 W 实验波形

图8(a)、(b)分别为传输功率100 W 时，输出侧开关管S1、S3在SPS 控制以及电流有效值优化调制下的开关波形。其中，ugs为开关管栅极与源极之间的电压，uds为开关管漏极与源极之间的电压。由图8(a)可知，SPS 控制下，当开关管S1导通时，流经的电流是负值，不能实现ZVS 开通，电流有效值优化调制下，开关管S1实现ZVS 开通。由图8(b)可知，SPS 控制下，当开关管S3导通时，流经的电流是正值，不能实现ZVS 开通；电流有效值优化调制下，开关管S3实现ZVS 开通。通过上述分析，SPS 控制下输出侧开关管为硬开通，从而使开关损耗增大，而电流有效值优化调制下为ZVS 开通，减小了开关损耗。因此，电流有效值优化调制策略扩大了变换器的软开关范围。

图8 P=100 W 时变换器的开关波形

图9 给出了不同传输功率时两种控制下的实验效率曲线。由图9 可知，电流有效值优化调制下，变换器的效率高于SPS 控制下的效率，在轻载条件下更明显。当传输功率为600 W 时，变换器处于功率最高点，此时，PWMPS 控制下三电平全桥中点输出电压Vab的占空比D1接近于1，其运行状态接近于SPS 控制下的运行状态，所以二者效率近似相等。

4 结论

图9 SPS和电流有效值优化调制效率曲线

本文以TL-NPC DAB 为研究对象，提出了一种基于PWMPS 控制的优化调制策略。分析了PWMPS 控制两种开关模式的工作特性，求得了电流有效值优化调制下变量之间的关系表达式，保证了变换器在全功率范围内实现电流有效值最小,扩大了开关管的软开关范围。实验结果表明，相比较SPS 控制，本文提出的优化调制策略有效地改善了变换器在轻载时的工作特性，减小了损耗，提高了效率。