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双有源桥DC-DC365bet手机娱乐场变换器传输开关组合规律的

文章来源:365bet手机客户端公司,时间:2017-08-10 09:18    点击量:

清华大学电机系电力365bet手机娱乐场系统及发电设备安全控制和仿真国家重点365bet手机娱乐场实验室的研究人员谷庆、袁立强、聂金铜、李婧、赵争鸣,在2017年第13期《电工技术学报》上撰文,双有源桥DC-DC365bet手机娱乐场变换器(DAB)采用移相控制时拥有三个互相独立的移相自由度,通过DAB一次侧、二次侧输出电压的解耦,将三个移相自由度任意组合下的DAB工作状态划分为12个模式。
对12个模式的365bet手机娱乐场传输功率分别进行计算,推导各模式下365bet手机娱乐场传输功率的取值范围,并在此基础上对三重移相控制下DAB的365bet手机娱乐场传输功率特性进行研究。通过对三个移相自由度做一些特殊赋值,三重移相控制可以简化为单重移相控制、拓展移相控制和双重移相控制,研究这四种移相控制方法的365bet手机娱乐场传输功率范围,并对它们功率365bet手机娱乐场传输的灵活性进行比较。最后,通过365bet手机娱乐场实验验证了理论分析结果。

电能路由器或者电力电子变压器的365bet手机娱乐场拓扑经过多年的发展,形成了目前具有代表性的三级式结构[1],由输入整流器、中间双向隔离DC-DC365bet手机娱乐场变换器(IsolatedBidirectional DC-DC Converter, IBDC)和输出365bet手机娱乐场等三级组成。
输入整流器和输出365bet手机娱乐场主要由电力电子365bet手机娱乐场变换器构成,其365bet手机娱乐场拓扑和相应的控制策略已经有了较为成熟的研究。而中间的IBDC作为两端能量汇集与耦合中心,在电力电子365bet手机娱乐场变换器和高频变压器的共同作用下,属于典型的铜、铁和半导体组合365bet手机娱乐场系统,在电能路由器中承担着电气隔离、电压365bet手机娱乐场变换和功率双向365bet手机娱乐场传输等核心功能。
IBDC是在传统非隔离DC-DC365bet手机娱乐场变换器的基础上发展而来的,具有多种不同的365bet手机娱乐场拓扑形式,目前应用最广泛的是一种被称作双有源桥(Dual ActiveBridge, DAB)DC-DC365bet手机娱乐场变换器(后文简称DAB)的结构。与其他使用较少开关管的365bet手机娱乐场拓扑相比,在器件承压和通流能力一定的条件下,DAB具有更大的功率365bet手机娱乐场变换能力[2],有助于降低365bet手机娱乐场系统的体积、提高365bet手机娱乐场系统的功率密度。
DAB的典型365bet手机娱乐场拓扑如图1所示,由输入H桥、高频变压器和输出H桥等三部分组成,是典型的多变量、非线性、强耦合365bet手机娱乐场系统。对其进行准确建模,进而对不同目标变量进行优化控制是DAB研究的热点和难点。而DAB在365bet手机娱乐场系统中的基本功能之一是承担功率的双向365bet手机娱乐场传输任务,因此对365bet手机娱乐场传输功率进行细致研究是DAB优化控制与运行的基础和前提。
图1  DAB的365bet手机娱乐场拓扑结构
DAB的365bet手机娱乐场拓扑结构
从控制角度出发,移相控制由于具有原理简单、易于实现软开关、365bet手机娱乐场系统动态响应快等优点,成为DAB的主流控制方法。最简单的移相控制方法是单重移相(Single PhaseShift, SPS)控制,即给DAB的一次侧H桥和二次侧H桥分别施加一组具有一定移相角度的驱动信号,使得一次侧、二次侧H桥输出两个具有一定移相角度的方波电压。定义移相角度与半个开关周期的比值为移相比,则通过对移相比进行调整,就可以实现功率的正向或反向365bet手机娱乐场传输以及改变所要365bet手机娱乐场传输的功率大小。
文献[3]详细分析了DAB在SPS控制下的工作原理,并在此基础上推导了其功率365bet手机娱乐场传输特性。此外,SPS控制还可以应用于具有其他结构的双向DC-DC365bet手机娱乐场变换器中,文献[4]介绍了SPS控制在二极管钳位三电平半桥双向DC-DC365bet手机娱乐场变换器中的应用,并对其365bet手机娱乐场传输功率和软开关进行了分析。SPS控制虽然原理简单,但其不可避免地会产生较大的回流功率,同时在一次、二次电压和变压器匝比不匹配时,会产生较大的电流应力,造成365bet手机娱乐场系统的损耗增大,降低365bet手机娱乐场系统的效率。
鉴于此,文献[5]提出了一种拓展移相(Extended Phase Shift, EPS)控制方法,除了一次侧、二次侧H桥之间原有的外移相比之外,又在某一个H桥内部的两个桥臂之间新增了一个内移相比,在EPS控制下,DAB的回流功率得到了显著降低。
文献[6-10]进一步研究了EPS控制下DAB的回流功率、电流应力及软开关等特性,并分别提出了对相应目标变量进行优化的控制策略。不同于EPS控制,文献[11]在一次侧、二次侧两个H桥内部同时设置内移相比,且保持两个内移相比相等,从而提出了一种双重移相(Dual PhaseShift, DPS)控制方法。文献[11]对DPS控制下DAB的365bet手机娱乐场传输功率进行了细致分析,并与SPS控制进行了对比研究,但是该文献并没有对DPS控制可能出现的所有情况进行分析,而只研究了其中的两种情况,从而导致365bet手机娱乐场实验结果与理论分析不尽相同。文献[12]对DPS控制的所有模态进行了分析,并推导了电流应力最小的条件以及最优电流控制的原理和实现方案。
事实上,当采用移相控制时,DAB具有三个互相独立的控制自由度,即一次侧H桥的内移相比、二次侧H桥的内移相比和两个H桥之间的外移相比,当一个DAB365bet手机娱乐场系统同时具有上述三个独立的移相比时,即称之为工作于三重移相(Triple PhaseShift, TPS)控制方法下。SPS控制、EPS控制和DPS控制均是TPS控制的一种特殊情况,因此对TPS控制进行研究更具有一般性和普遍适用性,也能够更加充分地挖掘DAB控制自由度之间的组合对365bet手机娱乐场系统性能提升的能力。目前关于TPS控制的研究尚处于起步阶段。
文献[13-16]分别分析了TPS控制的工作原理,对TPS控制下DAB的365bet手机娱乐场传输功率、软开关、回流功率和电流应力等特性进行了研究。但是上述文献都只涉及TPS控制下的某一个或几个模式分析,不能全面反映移相自由度的任意组合以及电路参数的变化对365bet手机娱乐场系统性能的影响。实际上,由于三个移相自由度之间的相互独立,对于图1所示的DAB365bet手机娱乐场系统,其具有无穷多种开关组合状态,因此如何对TPS控制下可能出现的所有模式进行完全分类是TPS控制的基础和难点。
本文首先分析TPS控制的工作原理,并对TPS控制下可能出现的所有模式进行分类,在此基础上对不同开关组合下DAB的365bet手机娱乐场传输功率特性进行研究。通过对三个移相自由度进行简化处理,对比研究SPS控制、EPS控制、DPS控制和TPS控制下DAB的365bet手机娱乐场传输功率特性差异。最后通过365bet手机娱乐场实验对理论分析结果进行验证。
结论
本文首先分析了双有源桥DC-DC365bet手机娱乐场变换器三重移相控制的工作原理,接着针对三个移相自由度的可能组合将三重移相控制划分为12种工作模式,在此基础上对任意开关组合下DAB的365bet手机娱乐场传输功率进行了计算。通过对三重移相控制进行简化,可以将其降阶为单重移相控制、拓展移相控制和双重移相控制。
详细分析了四种移相控制方法的365bet手机娱乐场传输功率特性,结果表明:四种移相控制方法具有相同的功率365bet手机娱乐场传输范围,但就功率365bet手机娱乐场传输的灵活性而言,三重移相控制具有极大的优势,而拓展移相控制相较双重移相控制而言灵活性更强,单重移相控制的功率365bet手机娱乐场传输灵活性最弱,通常欲365bet手机娱乐场传输一定的功率,其只有两个可供选择的外移相比。
最后搭建了DAB365bet手机娱乐场实验平台对本文的理论分析结果进行了验证,365bet手机娱乐场实验结果和理论分析能够很好地匹配,证明了理论分析的正确性。

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