移相控制三電平雙有源全橋直流變換器的軟開(kāi)關(guān)特性

金 莉，陳 晨

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電能質(zhì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院），廣州 510080；2.華為技術(shù)有限公司，深圳 518000）

雙有源全橋DAB（dual active bridge）變換器因高功率密度、能夠?qū)崿F(xiàn)電氣隔離和功率的雙向傳輸、易于實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)等特性，在隔離雙向變換領(lǐng)域[1-4]得到了廣泛應(yīng)用。將多電平橋臂引入到傳統(tǒng)的DAB變換器中，構(gòu)成多電平DAB 變換器，增加了控制自由度數(shù)量，相同的控制方式下，具有更高的控制靈活性。多電平DAB 變換器更適用于中高壓大容量的場(chǎng)合[5-8]，相同功率和電壓等級(jí)下，可選擇性能更優(yōu)的低電壓開(kāi)關(guān)器件，成本低、效率高。

單移相控制通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器兩側(cè)的有源橋輸出電壓之間的移相角來(lái)控制功率的流動(dòng)，操作簡(jiǎn)單，且能夠?qū)崿F(xiàn)重載狀態(tài)下所有開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通，當(dāng)橋臂電壓完全匹配時(shí)，可實(shí)現(xiàn)所有開(kāi)關(guān)管全功率范圍的ZVS（zero voltage switching），但當(dāng)電壓不匹配或在輕載狀態(tài)下，部分開(kāi)關(guān)管將失去ZVS 特性。ZVS 范圍受變壓比和負(fù)載的限制明顯[9-10]，且在非ZVS 工況下會(huì)導(dǎo)致效率大幅降低。已有文獻(xiàn)中針對(duì)DAB 變換器ZVS 的研究主要從2 個(gè)方面展開(kāi)：一是分析軟開(kāi)關(guān)過(guò)程并ZVS 對(duì)討論死區(qū)、開(kāi)關(guān)結(jié)電容以及變壓器漏感等的影響。文獻(xiàn)[11]提出一種雙有源半橋變換器，實(shí)現(xiàn)了大負(fù)載范圍內(nèi)所有主功率器件的ZVS 和整流二極管的ZCS（zero current switching），并求解了使變換器實(shí)現(xiàn)ZVS 的死區(qū)時(shí)間、傳輸電感以及并聯(lián)電容的約束條件。文獻(xiàn)[12-13]研究了死區(qū)對(duì)DAB 變換器高頻功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的影響。文獻(xiàn)[14]通過(guò)分析雙重移相控制下各橋臂IGBT（insulated gate bipolar transistor）實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的約束條件，得到了滿足軟開(kāi)關(guān)條件的高頻變壓器漏感參數(shù)設(shè)計(jì)方法和死區(qū)限制條件。文獻(xiàn)[15]詳細(xì)分析了移相+PWM 控制雙Boost 半橋雙向變換器各開(kāi)關(guān)管ZVS 開(kāi)通條件，以及影響開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS 的非理想因素，并給出了特定功率軟開(kāi)關(guān)條件下的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，獲得了最優(yōu)的變換器性能。二是從控制策略、拓?fù)鋬?yōu)化等方面考慮擴(kuò)展變換器的ZVS 范圍。文獻(xiàn)[16]詳細(xì)分析了DAB 變換器的PWM 控制方式，單側(cè)和雙側(cè)有源橋PWM 控制都能夠擴(kuò)展ZVS 范圍。文獻(xiàn)[17]提出，通過(guò)合理配置原副邊橋臂電壓之間的移相角以及引入特定的調(diào)制系數(shù)可實(shí)現(xiàn)DAB變換器全負(fù)載范圍內(nèi)的ZVS。文獻(xiàn)[18]提出一種自適應(yīng)電感結(jié)構(gòu)與變頻控制方式，根據(jù)輸出功率改變輔助移相電感的感值或開(kāi)關(guān)頻率來(lái)保證輕載時(shí)的ZVS。文獻(xiàn)[19]通過(guò)輔助串聯(lián)變壓器來(lái)擴(kuò)展DAB 變換器ZVS 實(shí)現(xiàn)范圍。

3L-DAB 變換器控制自由度的復(fù)雜性和多樣性使得精確分析其功率特性和軟開(kāi)關(guān)特性相對(duì)困難，并且很少有研究側(cè)重3L-DAB 變換器的性能優(yōu)化，也沒(méi)有在整個(gè)功率范圍內(nèi)進(jìn)行ZVS 特性分析。因此，有必要針對(duì)不同的調(diào)制策略分別研究3L-DAB變換器的ZVS 邊界，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)變換器的高效率和更優(yōu)性能。本文主要關(guān)注ZVS 特性，給出了3L-DAB 的ZVS 工作范圍隨移相角和變壓比變化的詳細(xì)分析。首先闡述了3L-DAB 變換器的功率傳輸機(jī)理。在此基礎(chǔ)上分析了3L-DAB 變換器ZVS 工作范圍隨移相角和變壓比的變化規(guī)律。最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)證明了理論分析的正確性。

1 3L-DAB 變換器移相控制機(jī)理

帶箝位二極管和飛跨電容的3L-DAB 直流變換器如圖1 所示，其中V1和V2分別是輸入和輸出電壓，n 為高頻變壓器匝數(shù)比，Lr是變壓器漏感和諧振電感之和。變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的三電平全橋由開(kāi)關(guān)管Sx1～Sx8（x=1，2），箝位二極管Dcx～Dcy（x=1，5；y=4，8）和飛跨電容Cssx～Cssy（x=1，3；y=2，4）組成。

圖1 3L-DAB 變換器主電路Fig.1 Main circuit of 3L-DAB converter

圖2 為移相控制3L-DAB 正反向功率傳輸時(shí)的主要工作波形，其中，φ1為同一橋臂外管與內(nèi)管之間的移相角，φ2為變壓器原邊和副邊對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)管之間的移相角，并假設(shè)φ1≤|φ2|≤π/2。

以圖2（a）所示正向傳輸為例，變換器一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的穩(wěn)態(tài)波形可分為8 個(gè)工作模態(tài)。穩(wěn)態(tài)下變換器一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的電感電流平均值為0，設(shè)t0為開(kāi)關(guān)周期的起始點(diǎn)，根據(jù)電流的對(duì)稱性及基爾霍夫電流定律，求解各時(shí)間點(diǎn)的電流分別為

圖2 移相控制3L-DAB 變換器的工作波形Fig.2 Operation waveforms of 3L-DAB converter under phase-shift control

當(dāng)功率正向傳輸時(shí)，移相控制3L-DAB 變換器的平均傳輸功率定義為

為了簡(jiǎn)化分析，綜合考慮功率的正、反向傳輸，傳輸功率標(biāo)幺值表示為

式中：P 為考慮功率正反向傳輸時(shí)的傳輸功率；Pbase為3L-DAB 變換器移相控制時(shí)的最大傳輸功率，為變壓比，k=nV2/V1。

2 軟開(kāi)關(guān)工作范圍的確定

2.1 理想情況

以V1側(cè)開(kāi)關(guān)管S14/S15、S13/S16實(shí)現(xiàn)ZVS 的開(kāi)關(guān)過(guò)程為例進(jìn)行分析。具體模態(tài)如圖3 所示。

圖3 S14/S15，S13/S16 實(shí)現(xiàn)ZVS 的模態(tài)Fig.3 Modes of S14/S15 and S13/S16 achieving ZVS

變換器工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，飛跨電容上的電壓恒定為端口電壓的一半。當(dāng)S11/S18、S12/S17導(dǎo)通時(shí)，諧振電感電流正向流過(guò)S11/S18、S12/S17，原邊橋臂電壓vAB=V1。當(dāng)關(guān)斷S11/S18時(shí)，給Cs11/Cs18充電，同時(shí)通過(guò)Css1和Css2給Cs14/Cs15放電。Cs11/Cs18上的電壓從0開(kāi)始線性上升，Cs14/Cs15的電壓線性下降，如圖3（a）所示。當(dāng)Cs14/Cs15的電壓下降到0，Cs11/Cs18的電壓上升到V1/2，箝位二極管Dc1/Dc4自然導(dǎo)通，此時(shí)vAB=0，如圖3（b）所示。若此時(shí)再關(guān)斷S12/S17，給Cs12/Cs17充電，同時(shí)通過(guò)Css1和Css2給Cs13/Cs16放電。Cs12/Cs17的電壓從0 開(kāi)始線性上升，Cs13/Cs16的電壓線性下降，如圖3（c）所示。當(dāng)Cs13/Cs16的電壓下降到0，Cs12/Cs17的電壓上升到V1/2，反并二極管Cs13/Cs16自然導(dǎo)通，此時(shí)vAB=-V1，如圖3（d）所示。開(kāi)關(guān)管S14/S15、S13/S16在開(kāi)通之前對(duì)應(yīng)結(jié)電容放電至0，反并二極管先導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通，此時(shí)電感電流滿足如下關(guān)系式

同理，S11/S18、S12/S17實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通的條件是

聯(lián)立式（3）～式（6），可求得理想工況下所有開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS 的功率范圍，即

根據(jù)式（7）繪制功率正向傳輸時(shí)所有開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS 的功率標(biāo)幺值與外移相角比例之間的關(guān)系曲線，如圖4 所示。其中，=0.1，虛線為變壓比為1.0 時(shí)的傳輸功率曲線?？梢?jiàn)，整個(gè)功率范圍被劃分為4 部分：無(wú)效工作區(qū)域、V1側(cè)ZVS、V2側(cè)ZVS 以及雙側(cè)ZVS。所謂無(wú)效工作區(qū)域，是因?yàn)榻o定了分析前提φ1≤|φ2|≤π/2。

圖4 理想情況開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS 功率范圍Fig.4 Power range for switches achieving ZVS under ideal condition

在理想工況下，原副邊電壓完全匹配（k=1.0）時(shí)，變換器的所有開(kāi)關(guān)管在整個(gè)功率范圍內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。越大，越小，則實(shí)現(xiàn)雙側(cè)ZVS 的功率范圍越寬。因此，為了使3L-DAB 變換器獲得更優(yōu)的性能，最簡(jiǎn)單直接的方式就是設(shè)計(jì)高頻變壓器的匝數(shù)比等于兩端口額定電壓的比值，即n=V1/V2。當(dāng)變壓比固定時(shí)，即可以通過(guò)改變移相角來(lái)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)ZVS 的功率范圍。

以上所有ZVS 功率范圍計(jì)算并未考慮開(kāi)關(guān)結(jié)電容、死區(qū)、線路寄生參數(shù)等的影響。但在實(shí)際物理樣機(jī)中，這些非線性因素是不可避免的。因此，滿足式（7）的限制條件并不能保證所有開(kāi)關(guān)管都能可靠實(shí)現(xiàn)ZVS。本文以開(kāi)關(guān)結(jié)電容為例，分析各參數(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)ZVS 功率范圍的影響。

2.2 開(kāi)關(guān)管結(jié)電容的影響

為了實(shí)現(xiàn)ZVS，必須確保在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通之前，開(kāi)關(guān)管并聯(lián)結(jié)電容上的電壓降到0。如圖3 所示的開(kāi)關(guān)模態(tài)，將電容電壓降為0 的過(guò)程也是諧振電感與相應(yīng)電容諧振的過(guò)程。為了實(shí)現(xiàn)V1側(cè)所有開(kāi)關(guān)管的可靠ZVS，t0時(shí)刻存儲(chǔ)在Lr中的能量必須大于存儲(chǔ)在S11/S18、S14/S15結(jié)電容中的能量，t1時(shí)刻存儲(chǔ)在Lr中的能量必須大于存儲(chǔ)在S12/S17、S13/S16結(jié)電容中的能量。為了實(shí)現(xiàn)V2側(cè)所有開(kāi)關(guān)管的可靠ZVS，t2時(shí)刻存儲(chǔ)在Lr中的能量必須大于存儲(chǔ)在S21/S28、S24/S25結(jié)電容中的能量，t3時(shí) 刻 存 儲(chǔ) 在Lr中的能量必須大于存儲(chǔ)在S22/S27、S23/S26結(jié)電容中的能量。因此，需滿足的能量關(guān)系為

式中，Cp和Cs分別為V1側(cè)和V2側(cè)開(kāi)關(guān)的結(jié)電容。

聯(lián)立式（3）～式（6）和式（8），考慮開(kāi)關(guān)管結(jié)電容影響時(shí)變換器實(shí)現(xiàn)全ZVS 的功率范圍為

根據(jù)式（9），繪制如圖5 所示的考慮開(kāi)關(guān)結(jié)電容時(shí)所有開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS 的功率范圍。可見(jiàn)，考慮開(kāi)關(guān)管結(jié)電容的影響后，變換器的功率范圍不僅包含了圖4 中的4 種工作區(qū)域，還包含一部分所有開(kāi)關(guān)管均不能實(shí)現(xiàn)ZVS 的區(qū)域，如圖中黑色陰影部分（雙側(cè)非ZVS 區(qū)域）所示。

圖5 考慮開(kāi)關(guān)結(jié)電容后所有開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)ZVS 的功率范圍Fig.5 Power ranges for all switches achieving ZVS considering the junction capacitance

進(jìn)一步說(shuō)明開(kāi)關(guān)結(jié)電容對(duì)實(shí)現(xiàn)ZVS 功率范圍的影響，2 種工況的對(duì)比如圖6 所示。由圖可見(jiàn)，考慮結(jié)電容后，上下邊界所包圍的功率范圍變窄。2種工況的主要差異為圖中灰色陰影部分，差異的大小取決于內(nèi)移相角、結(jié)電容以及諧振電感的大小。

圖6 考慮開(kāi)關(guān)結(jié)電容前后實(shí)現(xiàn)ZVS 功率范圍對(duì)比Fig.6 Comparison of power range achieving ZVS with and without considering the junction capacitance

3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證3L-DAB 變換器移相控制方案下軟開(kāi)關(guān)特性分析的正確性，搭建Matlab 仿真模型及如圖7 所示的物理樣機(jī)，其硬件參數(shù)如表1 所示。

圖7 3L-DAB 變換器物理樣機(jī)Fig.7 Prototype of 3L-DAB converter

表1 主電路參數(shù)Tab.1 Parameters of main circuit

圖8 給出了不同變壓比變換器的穩(wěn)態(tài)波形，其中Vin=800 V，=0.1，=0.2，變換器開(kāi)環(huán)控制。其中圖8（a）所示工況為負(fù)載R=12 Ω，穩(wěn)態(tài)輸出電壓1 120 V，變壓比k=1.4，對(duì)應(yīng)傳輸功率標(biāo)幺值P*=0.6，此時(shí)原邊橋臂開(kāi)關(guān)管尤其是內(nèi)管無(wú)法實(shí)現(xiàn)ZVS，而副邊所有開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)了ZVS。當(dāng)k 更大時(shí)，原邊橋臂外管也將無(wú)法實(shí)現(xiàn)ZVS。結(jié)合圖6，仿真結(jié)果與理論分析吻合，驗(yàn)證了分析的正確性。同理，圖8（b）中k=1.2，原邊所有開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)了ZVS，且原邊內(nèi)管幾乎處于臨界ZVS 狀態(tài)，副邊所有開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了ZVS；圖8（c）中k=0.987，原副邊所有開(kāi)關(guān)均實(shí)現(xiàn)了ZVS；圖8（d）中k=0.75，所有開(kāi)關(guān)都實(shí)現(xiàn)了ZVS，但副邊橋臂外管處于臨界軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，當(dāng)功率等級(jí)或變壓比減小時(shí)，副邊外管硬開(kāi)關(guān)。如果考慮線路中所有寄生參數(shù)的影響，軟開(kāi)關(guān)范圍會(huì)進(jìn)一步變窄。

圖8 不同變壓比時(shí)的軟開(kāi)關(guān)特性仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of soft-switching characteristics under different values of voltage conversion ratio

不同變壓比條件下的開(kāi)關(guān)管軟開(kāi)關(guān)特性實(shí)驗(yàn)波形如圖9 所示。圖9（a）為變壓比k＞1 時(shí)S11、S12、S21、S22的開(kāi)關(guān)波形，其中P*=0.45，外移相角略大于內(nèi)移相角。外管S11開(kāi)通前，電感電流-＞0，實(shí)際電感電流＜0，S11實(shí)現(xiàn)了ZVS。同理，內(nèi)管S12硬開(kāi)關(guān)、副邊橋臂S21/S22也實(shí)現(xiàn)了ZVS，與圖6 分析的考慮開(kāi)關(guān)結(jié)電容后的軟開(kāi)關(guān)范圍基本吻合。

圖9 不同變壓比時(shí)的軟開(kāi)關(guān)特性實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 Experimental waveforms of soft-switching characteristics under different values of voltage conversion ratio

圖9（b）和圖9（c）分別為k=1 和k＜1 的主要開(kāi)關(guān)波形。圖9（b）中，S11開(kāi)通之前，電感電流＜0，故S11實(shí)現(xiàn)了ZVS，同理，內(nèi)管S12和副邊橋臂S21、S22均實(shí)現(xiàn)了ZVS。圖9（c）中，S11、S12開(kāi)通之前，電感電流＜0，故S11、S12實(shí)現(xiàn)了ZVS，同理，S21硬開(kāi)關(guān)，S22實(shí)現(xiàn)了ZVS。

綜上，不同變壓比條件下原副邊開(kāi)關(guān)管的實(shí)驗(yàn)波形基本與圖6 考慮結(jié)電容后的軟開(kāi)關(guān)范圍吻合。對(duì)比圖8 的仿真結(jié)果，實(shí)際樣機(jī)中雜散參數(shù)等影響因素更多，3L-DAB 變換器所有開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS 的條件更為苛刻。因此，為了實(shí)現(xiàn)變換器的高性能，應(yīng)盡可能使其工作于電壓匹配工況。

圖10 為Dφ1=0.1 時(shí)移相控制下系統(tǒng)效率隨輸入電壓（變壓比k）的變化曲線。系統(tǒng)閉環(huán)輸出電壓為100 V，輸入電壓V1從100 V 逐漸增加至500 V，原副邊電壓越來(lái)越不匹配，變壓比k 逐漸減小，相同工況下，實(shí)現(xiàn)所有開(kāi)關(guān)管的ZVS 功率范圍變窄，系統(tǒng)損耗增加，效率降低。需要指出的是，該效率曲線的測(cè)試條件是低電壓、輕載，額定工況時(shí)相同變壓比的系統(tǒng)效率會(huì)更高。

圖10 系統(tǒng)效率曲線Fig.10 Curve of system efficiency

4 結(jié)論

針對(duì)移相控制的3L-DAB 變換器，詳細(xì)推導(dǎo)了所有開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS 的邊界條件隨移相角比例和變壓比的變化規(guī)律。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）變壓比不同、移相角不同，開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS的范圍也不相同。

（2）開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容使得所有開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS的功率范圍變窄。具體的影響深度由開(kāi)關(guān)管結(jié)電容、諧振電感、移相角等因素共同決定。

（3）實(shí)際運(yùn)行工況中，由于開(kāi)關(guān)結(jié)電容的影響，原副邊開(kāi)關(guān)管同時(shí)存在一個(gè)不能實(shí)現(xiàn)ZVS 的功率變化區(qū)域。

（4）變壓比越接近于1，實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的功率范圍越寬。實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能使變壓器匝數(shù)比等于端口電壓的比值。