基于DAB的单级双向AC/DC变换器设计

摘 要：随着新型电力电子技术发展，作为充电机的最主要组成部分，双向AC/DC变换器在电网与车辆双向互动方面得到了广泛应用，因此，对其性能提出了更高要求。本文介绍了一种基于DAB的单级式隔离型双向AC/DC变换器，结合矩阵变化器和双有源桥变换器的优势，对传统交直流变换器进行了改进。该结构体积更小、质量更轻且功率密度更高。本文对该变换器的电路拓扑、工作过程以及相应的元件参数进行了详细分析，使用MATLAB软件进行电路仿真，并搭建了一台3kW样机用于测试。仿真和试验结果验证该电路具有良好性能。

关键词：电力电子变换器；双有源桥；V2G

中图分类号：TM 46" " " " " " 文献标志码：A

随着新能源汽车快速发展，电动汽车与电网的连接越来越紧密，对车载储能的利用逐渐成为研究热点。以电动汽车储能电池向电网馈电为核心的V2G（Vehicle to Grid）技术正飞速地发展。作为充电机级充电桩的核心单元，电力电子充放电装置是主要研究对象，迫切需要提升双向AC/DC变换器的性能[1]。出于电气安全和噪声干扰的考虑，大功率应用对高频隔离性能的要求很高，因此设计和控制体积更小、功率密度更高且效率更高的隔离式AC/DC转换器至关重要。

由于理论分析成熟、控制方法简单，传统的双向充电装置通常采用全桥或半桥结构，因此难以提高功率密度并满足V2G技术对高性能的需求[2]。另一种较常用的双向AC/DC变换器采用双级结构，由交流侧同步整流器和直流侧双有源桥（DAB）变换器组成的两级隔离式交直流结构被广泛用于大范围的功率转换[3]。但是两级结构的中间直流稳压必须使用大型电解电容，因此系统寿命有限，整体质量和体积均难以压缩，功率密度不高。

本文介绍了一种基于DAB结构的衍生拓扑，充分利用了矩阵变化器和双有源桥变换器的优势，仍采用单级结构实现能量的双向流动，可以显著提高功率密度、工作效率和可靠性。

1 电路拓扑

本文基于DAB的单级双向AC/DC变换器拓扑如图1所示。高频变压器连接矩阵变换器和全桥电路。矩阵变换器包括4个双向开关，每个双向开关由2个开关管共发射极连接而成，可分为一个正组开关和一个反组开关。交流源电压则可以按照正、负半周分别考虑，当交流电源处于正半周时，正组的开关管与反组的反向并联二极管构成一条通道；反之，当交流电源处于负半周时，反组的开关管与正组的反向二极管构成一条通道，因此矩阵变换器相当于一正、一反2个全桥变换器并联。考虑等效漏感连接的全桥变换器，因此可以认为矩阵变换器的正、负组通路分别与直流侧的全桥结构、高频隔离变压器构成了双有源桥（DAB）变换器，进而可利用其软开关控制优势，在交直流变换中进行高性能功率双向传输。在本文研究过程中，变压器的磁化电感、绕组电阻和铁芯损耗均被忽略。

2 工作原理

DAB变换器具有软开关特性好等优点，被广泛应用于大功率双向DC/DC领域。本文将DAB变换器拓展到AC/DC领域，相当于在输入侧引入高频双向电压信号，因此可以从交流电压正向和反向考虑调制过程。考虑变流器的结构是对称的，工作频率是均匀的，类似于DAB的移相控制原理，因此可以通过改变电感两端电压的幅值和相位来控制变流器传输功率的大小和方向。本文仅以整流法为例进行分析。由于开关工作频率远高于正弦基波频率，因此可以认为在一个开关周期内交流侧电压幅值恒定，可任取一开关周期进行分析。该拓扑的工作过程如图2所示。该双向AC/DC变换器采用类似于DAB的扩展移相（Extended-phase-shift，EPS）控制方式，其中包括桥间移相角和桥内移相角2个自由度。与EPS不同的是，该变换器的输入源为交流正弦波，因此二次侧的移相角不再是固定值的脉冲，而是按照正弦变化，类似于单极倍频SPWM（Sinusoidal PWM）调制方法。

使矩阵变换器输出一组高频方波，尽管输入源为交流正弦波，但是矩阵变换器由双向开关组成，因此输入源的正、反半波均可以通过。由于开关频率远大于交流电基波频率，因此合理设计触发脉冲，可使其输出脉冲宽度为50%的两电平方波，记为vp。从开关周期尺度考虑，输出电压为脉宽相同、幅值相反的两电平方波；从交流基频考虑，输出电压幅值随交流电压幅值的变化而变化。交流侧输出电压波形如图3所示。值得注意的是，由于矩阵变换器的输入为正弦交流电，势必存在电压过零点，因此应注意触发脉冲的顺序，并保留死区，避免开关管直通，导致器件击穿损坏。当电压达到过零点附近，死区的范围宜选取适当，以取得过零点畸变与器件安全性的平衡。

此外，采用类SPWM调制策略，使直流源经全桥变换后输出一组三电平高频方波，记为vq。在开关周期正半周，其幅值固定为直流源电压Vo；在开关周期负半周，其幅值固定为-Vo。其脉宽随时间按照正弦规律变化，占空比记作d，因此输出电压波形的脉宽为d（t）Ts/2。考虑开关频率远大于正弦波基频，因此从开关周期考虑，正负半周期的脉冲宽度可视为近似相等。

本拓扑工作原理的核心是利用变压器两侧电压的相位差，通过等效漏感进行能量的双向传递。基于扩展移相调制策略[4]，在矩阵变换器与全桥变换器输出电压间引入桥间移相角，在图2中体现为移相时间变量Δt。即在每个开关周期内，vp和vq这2个波形的对称中心不完全一致，而是距离一定的时间尺度。进而由电感的电路特性可知电感Lt的电压波形和电流波形，见图2中的vL及iL。等效电感两端的电压与电感电流的关系如公式（1）所示。

（1）

式中：vL为电感电压；n为变压器变比；vp为矩阵变换器输出电压；vq为全桥变换器输出电压；L为等效电感值；iL为电感电流。

为了便于分析，本文将移相时间变量Δt进行标准化处理，得到公式（2）。

（2）

式中：Δt为移相时间；Ts为开关周期；δ为移相比。

因此，可以在一个开关周期内，根据开关状态分时间段讨论电感电流的情况。由图2可知，电感两侧的电压关系存在4种情况，即vp为正值，vq为0；vp和vq同为正值；vp为负值，vq为0；vp和vq同为负值。对于情况一，由公式（1）可知，电感电压＞0，因此电感电流处于线性增加状态；对于情况二，电感电压为负值，因此电感电流处于线性减少状态。情况三、四则类似。根据对电感电流积分可以进一步发现，输入电流ii仅与2个变量有关，一是2个变换器间的移相比δ，一是全桥变换器输出电压的脉宽，即占空比d，如公式（3）所示。

（3）

式中：为输入电流在一个开关周期的平均值；n为变压器变比；δ为2个波形间的移相比；L为等效电感值；fs为开关频率；Vo为输出电压；d（t）为开关管调制占空比。

如果占空比如公式（4）所示，δ被固定为常数，那么输入电流可以用公式（5）来描述，从而实现与交流电压的正弦同步相位。假设电感电流在初始时刻为0，则可以实现半个开关周期电感电流回零，即电感电流可实现半周期的伏秒平衡。在一个开关周期内，电感电流iL关于Ts/2时刻呈现奇对称，可以认为电感电流是周期为Ts/2的类分量。因此即使利用电网侧矩阵桥进行切换，电网侧电流在Ts/2时也不会出现符号跳变。值得注意的是，d（t）仅在分析的正半周期内讨论，因为它是一个具有实际意义的正量。如果扩展到整个基频周期，绝对值可以等效忽略。

（4）

（5）

进而根据能量守恒关系，控制以上2个变量就可以调节输出电压。当开环运行时，2个变量均可以取定值。但是为了更好地动态跟随效果和系统抗干扰性，可以设计相应的闭环控制结构，以实现目标输出电压。

3 仿真验证

根据上文所介绍所述变换器工作原理，本文在MATLAB/

Simulink平台搭建仿真模型。其中，输入交流源采用220V正弦波，即国内标准单相交流电压有效值；直流侧电压设计为400V，主要考虑常规车载储能电池的电压等级；高频隔离变压器变比设为1∶1，等效漏感为300μH；整个系统共采用12个开关管，开关频率设定为10kHz。任意一开关周期的仿真结果如图4所示。

图4展示了电感两侧电压波形与电感电流的关系，其中短虚线表示矩阵变换器的输出电压vp，长虚线表示全桥变换器输出电压vq，2个波形之前存在一定的相位差。电感电流iL与矩阵变换器输出电压vp保持同方向（回流部分除外），实现了功率的正向传输。此外，电感电流在半个开关周期时刻值为零，实现了零电流开关，因此可以降低开关损耗，减少开关噪声，使该变换器具有较好的软开关特性。当2个电压波形的相位关系与图3所示相反时，可以实现功率的反向传输，这里不再赘述。

4 样机测试

本文实验平台主要由3个部分组成，分别为功率电路、控制电路以及驱动模块。功率电路包括LC滤波器、矩阵变换器、高频变压器以及全桥变换器。其中矩阵变换器由8个开关管组成，两两成一组，共发射极并联；全桥变换器由4个开关管组成，所涉及开关管均采用英飞凌品牌的IGBT，并反向并联单向二极管。硬件电路的12个开关管均由各自的驱动模块单独控制，避免信号干扰。驱动模块是基于光耦隔离芯片A316的典型电路，不仅能达到IGBT的驱动功率，还具有开断速度快、过流保护等特性。控制电路则由DSP+FPGA双控制器实现，能够进行底层算法处理且复杂算法运算速度较快。

试验方案选用功率正向传输模式，交流电源连接在矩阵变换器一侧，中间由高频隔离变压器连接全桥变换器至阻性负载，利用变压器漏感进行能量交换。在测试过程中，直接给定2个调制自由度，进而验证该双向AC/DC变换器的基本工作特性。任意一个开关周期的测试波形如图5所示。可以看出，变压器两侧电压vp和vq存在一定相位差，进而能够通过电感进行能量传输。从电感电流波形也可以看出该变换器具备软开关特性，从而能降低开关损耗，提高变换器效率。

5 结论

本文介绍了一种基于DAB的单级式隔离型双向AC/DC变换器，对其电路拓扑、工作过程进行了详细分析，使用MATLAB/Simulink软件进行仿真测试，并搭建了一台3kW样机进行验证，仿真和测试结果证明了该电路的高性能和广阔的应用价值。

参考文献

[1]何蛟，张谦然．“双碳”背景下电动汽车充电基础设施软硬件发展趋势研究[J].科技与创新，2021（18）：92-93，96.

[2]赵彪，安峰，宋强，等.双有源桥式直流变压器发展与应用[J].中国电机工程学报，2021，41（1）：288-298.

[3]王长华，蒋晓明，杨海波，等.基于能量回馈并网系统的双向AC/DC变换器设计[J].自动化与信息工程，2018，39（3）：10-15，21.

[4]郭华越，张兴，赵文广，等.扩展移相控制的双有源桥DC-DC变换器的优化控制策略[J].中国电机工程学报，2019，39（13）：3889-3899．