双有源桥变换器的软开关特性分析

徐海博 花磊

摘 要：DAB在隔离型双向直流变换场合有着广阔的应用前景。现首先针对DAB的经典拓扑结构，详细分析了DAB在SPS控制下的传输功率特性和电流应力特性;然后进一步分析了DAB的两种不匹配运行状态，并得出了其软开关运行范围;最后在Matlab/Simulink仿真平台上进行了仿真实验，验证了所提方法的有效性和可靠性。

关键词：DAB;单移相控制;软开关;电流应力

中图分类号：TM52    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2022）12-0012-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.12.004

0    引言

DAB的概念首次被提出是在1991年[1-2]，但受到当时硬件条件制约，并没有得到广泛应用。2007年，日本学者H. Akagi提出DAB在將来会成为核心元件被应用于未来的高频隔离功率转换系统中[3]。直到最近几年，伴随着SiC功率器件的成熟发展，DAB再次成为研究热点。目前，已有不少文献对DAB展开研究，文献[4-5]的研究重点放在DAB的基本特性上，如动态模型、传输功率和死区效应;文献[6-7]围绕DAB的软开关特性，研究了各种DAB的软开关方案以降低电路损耗。

DAB的控制方法中最基本的就是移相控制，单移相（Single-phase-shift，SPS）控制是目前最为常用的控制方式，由学者M. H. Kheraluwala提出。SPS控制中，DAB两个全桥均为对角导通，同桥臂开关管的驱动信号互补，在高频变压器两侧产生占空比为50%的方波电压，通过调整两个方波电压之间的相角差值就可以调整传输功率[5]。

本文依据DAB的经典拓扑结构，详细分析了DAB在SPS控制下的传输功率特性、电流应力特性。同时，进一步分析了DAB的两种不匹配运行状态，并得出了其软开关运行范围，最后进行了仿真验证。

1    DAB的工作原理

图1（a）为单个DAB元件拓扑图，DAB两侧全桥开关频率相同，单移相控制下，开关管对角导通，同一桥臂上的开关管导通状态互补，使得变压器两侧为占空比为50%的交流电压方波。控制变压器两侧方波之间的相位差，从而控制漏抗的电压幅值和相位，进而可以控制DAB的功率传输。将高频变压器视为一个理想变压器及漏抗，就可以将DAB等效为两个交流电源通过电感连接，如图1（b）所示，和传统交流电力系统的区别在于，后者的激励为工频正弦波，而DAB的等效激励为高频方波。

2    DAB在SPS控制下的工作特性

2.1    传输功率特性分析

以正向功率流为例，DAB的传输功率为：

P =Udc1Idc1=·D（1-D） （1）

式中：f为高频变压器频率;D为原副边方波电压的移相角。

式（1）表明，在变压器变比、输入/输出电压、频率、等效电感一定时，通过改变移相比D的大小就可以控制DAB功率传输的大小和流向。

图2给出了D在[-1，1]上变化时，传输功率标幺值的变化规律。传输功率的零点和极值在D=0和D=±0.5时得到，以正向传输为例，当02.2    电流应力特性分析

DAB稳态运行时，拓扑中电流的最大值被称为电流应力，电路中电流应力越大，对器件的耐压耐流要求就越高，进而会提高成本，同时损耗也会提升，能量传输效率会下降。根据上节分析，定义电压传输比K=Udc1/mUdc2，DAB稳态运行时的电流应力为：

imax=·（1-2D-K） （2）

功率传输最大时的输入电流为：

iN=  （3）

以式（3）中的电流值为基准值，可以得到电流应力的标幺值为：

i*==2（K+2D-1）  （4）

结合式（1）和式（4）可以得到电流应力标幺值和电压传输比以及传输功率标幺值的关系式：

i*=2K-2  （5）

根据式（5）可知，当传输功率保持恒定时，电流应力随着电压传输比的增大而增大，当电压传输比一定时，电流应力随着传输功率的增大而增大，关系图如图3所示。

从图3可以看出，电压传输比和传输功率对于电流应力都是正相关关系，若要减小电流应力，不宜以牺牲传输功率为代价，应该减小电压传输比。上述分析结果也说明了SPS控制策略在输入/输出电压比较大时，控制效果不佳。因此，在研究以SPS控制为基础的移相控制策略时，K值不应取过大。

3    仿真结果

DAB的仿真电路依据图1搭建，仿真平台为Matlab/

Simulink平台，仿真采取SPS控制方式，正向传输功率，用以验证本文理论的正确性。本仿真为采取闭环控制的仿真，仿真系统中的各项参数列于表1中，为仿真验证DAB在匹配运行状态下和不匹配运行状态下的运行情况，当K>1时，取输出电压参考值Udc2ref=400 V;当K=1时，取输出电压参考值Udc2ref=500 V;当K<1时，取输出电压参考值Udc2ref=600 V。

图4（a）和图4（b）分别为输出电压波形图和变压器漏感电流波形图，0.1 s之前，输出电压控制在400 V，仿真K>1的情况;0.1 s到0.2 s之内，输出电压控制在500 V，仿真K=1的情况;0.2 s之后，输出电压控制在600 V，仿真K<1的情况。K>1、K=1、K<1的各参数的稳态方法图分别如图4（c）、图4（d）、图4（e）所示。

三种情况下DAB变压器漏感电流的变化情况和理论分析图一致，K=1时，可以实现全运行区间的ZVS，当DAB运行于不匹配状态时，开关管会损失一部分ZVS导通和ZCS关断，增加开关管和二极管的硬导通、硬关断次数，损耗提升，能量传输效率降低。

4    结论

本文分析了DAB在SPS下的传输特性、电流应力特性以及软开关特性，得出以下结论：

（1）正向传输时，当0（2）正向传输时，当K=1时，DAB开关管有ZVS开通和硬关断两种状态，DAB的二极管有硬开通和ZCS关断两种状态。当K>1时，原边H桥开关管有ZVS导通和硬关断两种开关方式，二极管有硬导通和ZCS关断两种开关方式;副边H桥开关管有硬导通和ZCS关断两种开关方式，二极管有ZVS导通和硬关断两种开关方式。当K<1时，和K>1的情况相反。

[参考文献]

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[2] 王归新，肖波涛.电流型双有源桥式双向DC-DC变换器的建模与解耦控制[J].电源学报，2020，18（3）：71-79.

[3] 竺庆茸.双有源桥DC-DC的调制方式的研究[J].电气技术，2020，21（7）：53-56.

[4] 马宇鸣，刘丛伟，刘建伟，等.双有源桥DC-DC变換器的模型预测控制[J].冶金自动化，2020，44（S1）：78-85.

[5] 李红波，张凯，赵晖.高功率密度单相变换器的直流有源滤波器研究[J].中国电机工程学报，2012，32（15）：40-47.

[6] 蒋小平，魏立彬，彭朝阳，等.基于广义状态平均法的双有源全桥变换器建模[J].电子技术应用，2015，41（7）：132-135.

[7] DE DONCKER R W A A，DIVAN D M，KHERALUWALA M H. A three-phase soft-switched high-power density DC/DC converter for high-power applications[J].

IEEE Transactions on Industry Applications，1991，27（1）：63-73.

收稿日期：2022-03-16

作者简介：徐海博（1983—），男，陕西人，工程师，研究方向：直流输电、柔性直流输电等电力电子技术应用。