基于雙重移相控制的全橋DC-DC變換器峰值電流控制

張華勇，凌躍勝 ，龐天宇，李雙超

(河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，天津 300130)

0　引　言

雙向DC-DC變換器中雙H橋變換器由于其電氣隔離、升降壓變換、雙向能量傳輸、高功率密度、零電壓開斷等特點(diǎn)被廣泛關(guān)注，并且能夠減小系統(tǒng)體積、重量和成本，在分布式光伏系統(tǒng)，微電網(wǎng)、航空電源、不間斷電源和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。單重移相控制方式(Single-Phase-Shift,SPS)常應(yīng)用于全橋DC-DC變換器。這種控制方式相對(duì)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，但無法避免在輕載或者輸入輸出電壓不匹配時(shí)存在的回流功率大，電流應(yīng)力過高，損耗大效率低等問題[3-5]。

為了解決SPS控制方式存在的電流應(yīng)力大、效率低的問題[6-7]，本文分析了雙重移相(Dual-Phase-Shift,DPS)控制的工作原理，提出了一種基于傳輸功率不變來確立變換器中峰值電流的控制方式，有效地減小變換器開關(guān)管的電流應(yīng)力以及隔離變壓器的回流功率。

1　雙重移相控制的工作原理

典型的全橋雙有源DC-DC變換器電路如圖1所示，由兩個(gè)對(duì)稱的H橋和高頻變壓器組成。

本文提出的雙重移相控制的開關(guān)信號(hào)、電感電流、電感電壓等波形圖如圖2 所示。

圖1　雙有源全橋DC?DC變換器拓?fù)?/p>

圖2中，U1和U2為變換器兩側(cè)電壓，UL為電感L的端電壓，n為變壓器變比，Th為半個(gè)開關(guān)周期，開關(guān)頻率f=1/(2Th)。D1為U1側(cè)全橋內(nèi)半個(gè)開關(guān)周內(nèi)的移相比；D2為半個(gè)周期內(nèi)U2側(cè)全橋與U1側(cè)全橋的移相比，稱為外移相比，存在關(guān)系：0≤D1≤D2≤1。

2　DC-DC變換器特性分析

2.1　數(shù)學(xué)模型

根據(jù)圖2電流模態(tài)的分析，令t0=0，電壓調(diào)節(jié)比K=U1/nU2>1，開關(guān)管頻率f=1/(2Th)。可以得到各時(shí)刻通過電感L的電流應(yīng)力表達(dá)式：

(1)

(2)

(3)

其中，由圖2可知：

imax=|i0|

(4)

圖2　雙重移相控制工作原理波形圖

由此，傳輸功率表達(dá)式為：

(5)

當(dāng)變換器采用傳統(tǒng)單移相SPS控制時(shí)，其傳輸功率和電流應(yīng)力為：

(6)

(7)

2.2　電流應(yīng)力分析

(8)

(9)

為減小電流應(yīng)力和提高整個(gè)DAB變換器效率，本文提出基于傳輸功率不變[8]。應(yīng)用雙移相對(duì)D1和D2的控制策略，來確定變換器中的最小峰值電流imax。假定DPS控制的傳輸功率p0一定，即P′=p0，于是有：

F(D1D2μ)=imax+μ(P'-p0)

(10)

式中，μ為拉格朗日乘子。從式(10)看出，不同的移相，D1、D2對(duì)應(yīng)不同的電流應(yīng)力，因此對(duì)方程求解偏微分，有：

(11)

(12)

(13)

依照式(13)，可以得出：

(14)

此時(shí)，p0<(1-D12)。

再?gòu)氖?11)、(12)與(14)推導(dǎo)出：

(15)

此時(shí)D1、D2為最優(yōu)解，將公式(14)、(15)代入公式(8)中，可以得到在參數(shù)p0和K條件下DPS控制方式的最小峰值電流比為：

(16)

同樣SPS控制方式下的最小峰值電流比：

(17)

根據(jù)式(16)可以得到最小峰值電流在傳輸功率p0和電壓傳輸比K兩個(gè)參數(shù)下的曲線圖，如圖3所示。

圖3　DPS控制峰值電流圖

圖3為兩種控制方式取得最優(yōu)解D1、D2的條件下峰值電流對(duì)應(yīng)p0與K的曲線，iDPS-min隨著傳輸功率p0或者電壓調(diào)節(jié)比K的增大而增大。

3　實(shí)驗(yàn)分析

通過上面的分析，采用雙重移相控制且傳輸功率不變時(shí)，最小的峰值電流所對(duì)應(yīng)的移相角是唯一的。為了驗(yàn)證以上分析，本文以TMS320F28335微控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了100 V輸入電壓的變換器，開關(guān)頻率f=50 kHz，變壓器漏感L=90.6 μH，變壓器變比n1∶n2=20∶10。流過電感L的電流如圖4所示。從圖中可以看出，當(dāng)傳輸功率一定時(shí)，在DPS最優(yōu)移相角控制下的電流應(yīng)力小于SPS控制的電流應(yīng)力。

從圖5可以看出，在本文提出的基于傳輸功率的DPS最優(yōu)移相角控制下變換器的峰值電流最小為16.2 A，優(yōu)于SPS控制下的18.6 A。相較之下電流峰值減小了12.9%，減弱了電流應(yīng)力和系統(tǒng)損耗。

圖4　不同移相控制下的電流應(yīng)力仿真圖

圖5　兩種控制方法的電流應(yīng)力對(duì)比

4　結(jié)　論

本文分析了DPS和SPS兩種控制方法下DC-DC變換器的電流應(yīng)力，同時(shí)推導(dǎo)出了相應(yīng)的傳輸功率、峰值電流的數(shù)學(xué)模型；建立了基于傳輸功率的DPS控制方法。理論與實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的控制方法有效地減小了電流峰值。

參考文獻(xiàn)：

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