三端口隔離DC-DC變換器軟開關特性

余雪萍 涂春鳴 肖 凡 劉 貝 郭 祺

三端口隔離DC-DC變換器軟開關特性

余雪萍 涂春鳴 肖 凡 劉 貝 郭 祺

（湖南大學國家電能變換與控制工程技術研究中心 長沙 410082）

三端口隔離三有源橋（TAB）DC-DC變換器作為新能源接入的一種積極探索與嘗試，在分布式光伏接入、新能源汽車及多電壓等級直流用電需求等領域得到了廣泛關注。軟開關能力作為TAB應用的關鍵優勢之一，可以有效地降低開關損耗、提升變換效率。然而，由于開關管數量增多，TAB的工作模式及移相控制方法較雙有源橋（DAB）DC-DC變換器出現了成倍增加的現象，現有DAB的零電壓開通（ZVS）已不利于推廣至TAB。該文在分析TAB工作原理的基礎上，從開關管驅動信號出發，將TAB的等效電路進行了分解，構建雙電源作用下電感電流的統一表達式。基于疊加定理，TAB每個開關管開通時刻的電感電流均可以由多個雙方波電壓源作用下的電感電流相加得到，并且不受移相控制方法的影響，計算簡便。基于TAB等效電路的分解模型，該文繪制不同移相控制方法下TAB的全開關ZVS區域，并對其進行討論分析。最后搭建實驗平臺，驗證了該方法的可行性與有效性。

軟開關 隔離式DC-DC變換器 電感電流 移相控制

0 引言

隨著能源問題的日益嚴峻，新能源的應用得到了廣泛的關注和研究。由于新能源的間歇性、時變性和隨機性等特點，在新能源系統中需儲備儲能單元對電能進行削峰填谷，進而實現對負載的連續穩定供電[1-3]。傳統的新能源系統中，新能源發電單元、負載和儲能單元由多個雙向或單相的獨立直流變換器進行連接，結構復雜、體積較大。采用三有源橋（Triple Active Bridge, TAB）取代多個獨立變換器，不僅可以滿足各個端口間能量的雙向流動、電壓匹配和電氣隔離，還可以簡化系統結構、減小裝置質量和體積，提升整體變換效率[4-7]。目前，TAB已成為以上應用領域的研究熱點之一。

相較于雙有源橋（Dual-Active-Bridge, DAB）[8-10]，TAB的很多研究工作還停留在初步的理論研究和探討階段，仍存在大量的理論和共性關鍵問題有待解決。DAB的控制策略有單移相（Single-Phase-Shift, SPS）、擴展移相（Extended-Phase-Shift, EPS）、雙移相（Dual-Phase-Shift, DPS）和三重移相（Triple- Phase-Shift, TPS）。通過增加控制自由度，DAB可實現零電壓開通（Zero Voltage Switching, ZVS）、無功環流和功率損耗的多目標優化。同樣地，TAB在以上控制策略下，也存在ZVS區域。但由于端口數量增多，TAB的工作模式和控制自由度均大大增加。因此，DAB的模態分析法和分段線性法在應用到TAB時，其計算過程會較為復雜。

TAB的研究內容目前多關注各端口間的解耦、建模以及不同運行模式下的控制策略切換等方面，而針對TAB的軟開關實現條件，還缺乏深入的分析和研究[11-12]。文獻[11]提出了一種TAB的系統模型，并基于該模型給出了相應的優化控制方法，可提高能量從電網端口向儲能端口流動時的轉化效率。文獻[12]構建了TAB的小信號模型并基于該模型設計了PI解耦控制器，該控制器可將TAB強耦合的各端口解耦為三個交流等效電路，進而降低了TAB的設計復雜性并提高了其動態響應特性。但以上文獻均未考慮TAB的軟開關特性。文獻[13]基于傅里葉等效法，分析了DAB的ZVS邊界條件，但是只考慮了電流的基波分量，忽略了諧波分量，在高頻應用場合會有較大的誤差。文獻[14]提出了一種多諧振腔的三端口變換器，并考慮了方波電壓的基頻和三倍頻分量進行端口高頻鏈電流的計算，相較于只考慮基頻的計算方法，其ZVS精度有所提高，但是該方法只適用于所提出的電路結構，不具有普適性。文獻[15-17]基于傅里葉等效法分析了DAB多個工作模式下的ZVS區域，但主要考慮的是基波分量，忽略了諧波分量。文獻[18]基于分段線性法，準確繪制了DAB不同工作模式下的ZVS區域，以此為基準，分析了傅里葉等效法在考慮不同諧波分量時其ZVS區域的誤差。文獻[19]基于分段線性法，對DAB在DPS控制下的四個工作模式進行了ZVS區域的求解，該方法可應用到TAB，但由于端口數量的增加，計算過程較為復雜。文獻[20]基于分段線性法，分析了輕載狀態時，DAB在TPS控制下的ZVS區域。文獻[21]研究了三電平DAB的軟開關特性，并對四種工作模式下的ZVS區域進行了分析，進而實現了DAB的多目標優化調制。可以發現，現有文獻多是針對DAB的某一特定工作模式或特定移相控制方法下的多種工作模式進行分析研究，其分析方法有兩種，即分段線性法和傅里葉等效法。分段線性法可以準確地繪制ZVS的區域，但需針對不同的工作模式或者移相控制策略分別進行計算。而且隨著端口數量的增多，其計算過程非常繁瑣、復雜。傅里葉等效法只能考慮有限級數的諧波分量，需在計算精度和計算復雜性之間做出權衡，并且需對不同的工作模式和移相策略分別進行推導和計算。因此，現有DAB的ZVS研究方法不利于推廣至TAB的應用。基于此，文獻[22]針對TAB構建了包含全部諧波分量的軟開關準確模型，從而實現所有開關管的軟開關參數設計，但是該方法僅適用于SPS控制，對于更為復雜的移相策略則不太適用。

TAB應用的關鍵優勢之一就是其開關管的軟開關能力。對于高壓開關器件，實現所有開關管的ZVS是降低損耗的有效方式，也是提升變換效率的有效手段。本文以TAB為研究對象，采用疊加定理將多端口變換器分解為多個雙電源共同作用的子電路，推導了子電路模型中開關管開通時電感電流的統一公式。最后由各子模型中電流的統一公式，構建了TAB各開關管開通時電感電流的統一公式，并根據開關管的ZVS邊界條件，繪制了不同占空比下變換器的全開關ZVS區域。本文所提出的方法操作簡便、準確度高，且不受工作模態和移相控制方法的影響，易于推廣、可移植性強。

1 移相控制下TAB的工作原理

1.1 TAB等效電路模型及ZVS條件

圖1 TAB拓撲結構

1.2 TAB的工作模式和移相控制方法

圖3 TAB工作模式

可以發現，其占空比組合方式比DAB多出一倍，工作模式為DAB的3倍。DAB的分段線性法或傅里葉等效法推廣至TAB時，其計算過程會較為復雜繁瑣。因此，迫切需要一個統一的表達式，可以直觀地表示TAB的各個模態在不同占空比組合下的電流值。

2 基于疊加定理的TAB電路分解

圖4 TAB觸發脈沖及方波電壓

2.1 雙方波電壓源作用下電感電流的統一公式

圖6 雙電源電路的電壓電流波形

2.2 TAB電路分解模型

兩個方波電源作用下電流的統一公式為

由此可知

表1 不同相位基準時驅動信號相關電壓的移相角

Tab.1 Phase shift angle of the switches at different phase reference

3 TAB全開關管的軟開關范圍

取式（7）～式（14）中典型的四種占空比關系為

圖8 不同移相控制下的全開關ZVS區域

4 實驗驗證

為驗證圖8中不同占空比下全開關ZVS區域的有效性，本文基于RT-Lab實驗平臺開展了實驗驗證，實驗結果如圖9～圖16所示。

4.1 實驗1

圖11 實驗3波形

4.2 實驗2

4.3 實驗3

圖15 實驗3動態波形

4.4 實驗4

4.5 動態特性

5 結論

本文針對TAB全開關管的軟開關特性，從各端口驅動信號出發，將各端口的方波電壓以開關管相位為參考，分解為多個幅值相同、相位不同的0.5占空比的方波電壓。基于疊加定理，本文將TAB的等效電路分解為多個雙電源作用的子電路，并推導出子電路中開關管開通時電感電流的統一表達式。最后由多個子電路中電感電流的疊加即可得到特定開關管開通時的電流。不同于DAB電感電流的分段線性計算方法和傅里葉等效法，本文提出的方法計算簡便、不受移相控制方法的影響，可直接得到所有占空比下TAB全開關管的ZVS區域。最后，基于RT-Lab實驗平臺，驗證了本文所提方法的正確性和有效性，并得到以下結論：

[1] 盛逸標, 林濤, 陳寶平, 等. 面向新能源外送系統次/超同步振蕩的控制器參數協調優化[J]. 電工技術學報, 2019, 34(5): 983-993.

Sheng Yibiao, Lin Tao, Chen Baoping, et al. Coor- dination and optimization of controller parameters for subsynchronous/super-synchronous oscillation in new energy delivery systems[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(5): 983-993.

[2] 李夢柏, 謝竹君, 林衛星, 等. 一種適用于新能源并網的高增益單向直流變壓器[J]. 電工技術學報, 2018, 33(2): 301-309.

Li Mengbo, Xie Zhujun, Lin Weixing, et al. Cascaded LC-AC transformer unidirectional DC-DC converter with high stepping ratio[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(2): 301-309.

[3] 王會超, 秦昊, 周昶, 等. 計及新能源預測不確定性的跨區域日前—日內調度模型[J]. 電力系統自動化, 2019, 43(19): 60-67.

Wang Huichao, Qin Hao, Zhou Chang, et al. Cross- regional day-ahead to intra-day scheduling model considering forecasting uncertainty of renewable energy[J]. Automation of Electric Power Systems, 2019, 43(19): 60-67.

[4] Duarte J, Hendrix M, Simoes M. Three-port bidire- ctional converter for hybrid fuel cell systems[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22(2): 480-487.

[5] Krishnaswami H, Mohan N. Three-port series- resonant DC-DC converter to interface renewable energy sources with bidirectional load and energy storage ports[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2009, 24(10): 2289-2297.

[6] Bhattacharjee A K, Kutkut N, Batarseh I. Review of multi port converters for solar and energy storage integration[J]. IEEE Transactions on Power Electro- nics, 2019, 34(2): 1431-1445.

[7] 余雪萍, 涂春鳴, 肖凡, 等. 三端口隔離DC-DC變換器的暫態直流偏置機理及抑制策略[J]. 電工技術學報, 2020, 35(9): 1962-1972.

Yu Xueping, Tu Chunming, Xiao Fan, et al. Transient dc bias mechanism and suppression strategy of the three-port isolated DC-DC converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(9): 1962- 1972.

[8] 李婧, 袁立強, 谷慶, 等. 一種基于損耗模型的雙有源橋DC-DC變換器效率優化方法[J]. 電工技術學報, 2017, 32(14): 66-76.

Li Jing, Yuan Liqiang, Gu Qing, et al. An efficiency optimization method in dual active bridge DC-DC converter based on loss model[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(14): 66-76.

[9] Zhao Biao, Song Qiang, Liu Wenhua, et al. Transient DC bias and current impact effects of high- frequency-isolated bidirectional DC-DC converter in practice[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 31(4): 3203-3216.

[10] 魏騰飛, 王曉蘭, 李曉曉. 雙向直流隔離變換器功率回流的分析及消除[J]. 電機與控制學報, 2019, 23(11): 100-108,117.

Wei Tengfei, Wang Xiaolan, Li Xiaoxiao. Analysis and elimination backflow power in bidirectional DC-DC isolation converter[J]. Electric Machines and Control, 2019, 23(11): 100-108,117.

[11] Zou Shenli, Lu Jiangheng, Alireza Khaligh. Modeling and control of a triple active bridge converter[J]. IET Power Electronics, 2020, 13(5): 961-969.

[12] Ishita Biswas, Debaprasad Kastha, Prabodh Bajpai. Small signal modeling and decoupled controller design for a triple active bridge multiport DC-DC converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, DOI:10.1109/TPEL.2020.3006782.

[13] Li Xiaodong, Bhat A K S. Analysis and design of high-frequency isolated dual-bridge series resonant DC/DC converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(4): 850-862.

[14] 李微, 王議鋒, 韓富強, 等. 一種隔離型三端口雙向LCLC多諧振直流變換器[J]. 電工技術學報, 2018, 33(14): 3231-3244.

Li Wei, Wang Yifeng, Han Fuqiang, et al. An isolated three-port bidirectional LCLC multi-resonant DC-DC converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(14): 3231-3244.

[15] Everts J, Krismer F, Jeroen V D K, et al. Optimal ZVS modulation of single-phase single-stage bidire- ctional DAB AC-DC converters[J]. IEEE Transa- ctions on Power Electronics, 2014, 29(8): 3954-3970.

[16] Everts, Jordi. Closed-form solution for efficient ZVS modulation of DAB converters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016: 7561-7576.

[17] Li Xiaodong, Bhat A K S. Analysis and design of high-frequency isolated dual-bridge series resonant DC/DC converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(4): 850-862.

[18] Riedel J, Holmes D G, Mcgrath B P, et al. ZVS soft switching boundaries for dual active bridge DC-DC converters using frequency domain analysis[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 32(4): 3166-3179.

[19] Hu Yan, Zhang Yu, Chen Qing, et al. Efficiency evaluation for DAB converter with reactive power minimization strategy and full ZVS operation[C]// 2019 IEEE Energy Conversion Congress and Expo- sition (ECCE), Baltimore, 2019: 4274-4280.

[20] 黃珺, 王躍, 李卓強, 等. 基于三重移相控制的雙主動全橋直流變換器優化調制策略[J]. 中國電機工程學報, 2016, 36(6): 1658-1666.

Huang Jun, Wang Yue, Li Zhuoqiang, et al. Optimized modulation scheme of dual active bridge DC-DC converter based on triple-phase-shift control[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(6): 1658-1666.

[21] 童安平, 邵持, 杭麗君, 等. 混合三電平DAB變換器軟開關分析與多目標優化調制技術研究[J]. 中國電機工程學報, 2020, 40(24): 8098-8110.

Tong Anping, Shao Chi, Hang Lijun, et al. Investigation on soft switching characteristics and the multi-objective optimized modulation strategy for hybrid three-level DAB converter[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(24): 8098-8110.

[22] 田昕, 王聰, 沙廣林, 等. 三端口直流變換器軟開關分析的一種準確模型[J]. 電源學報, 2020, 18(4): 94-101.

Tian Xin, Wang Cong, Sha Guanglin, et al. An accurate model for soft-switching analysis of three- port DC-DC converter[J]. Journal of Power Supply, 2020, 18(4): 94-101.

[23] Zhao Chuanhong, Round S D, Kolar J W. An isolated three-port bidirectional DC-DC converter with decoupled power flow management[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2008, 23(5): 2443-2453.

[24] 趙彪, 宋強. 雙主動全橋DC-DC變換器的理論和應用技術[M]. 北京: 科學出版社, 2017.

Soft Switching Characteristics of the Three-Port Isolated DC-DC Converter

（National Electric Power Conversion and Control Engineering Technology Research Center Hunan University Changsha 410082 China）

As an active exploration, the triple active bridge (TAB) has been widely concerned in the fields of distributed photovoltaic access, new energy vehicles, and multi-voltage level DC power demand. Soft switching is one of the key advantages of TAB, which can effectively reduce switching loss and improve conversion efficiency. However, due to the increase in the number of switches, the working mode and phase shift control method of TAB have multiplied compared with the dual active bridge (DAB), and the existing ZVS method of DAB is not applicable to TAB. Based on the analysis of TAB working principle, the equivalent circuit of TAB is decomposed from switching signals, and the uniform expression of the inductor current under dual-power supply is constructed. According to the superposition theorem, the inductor current at the opening time of certain switch can be obtained by adding the inductor current under multiple dual-power supplies. Moreover, it is not affected by the phase shift method, and the calculation is simple. Based on the decomposition circuit model, this paper draws and analyzes the ZVS region of TAB under different phase shift control methods. Finally, an experimental platform is built to verify the feasibility and effectiveness of the proposed method.

Soft switching, isolated DC-DC converter, inductor current, phase shift control

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200963

TM46

國家重點研發計劃資助項目（2018YFB0904100）。

2020-08-01

2020-09-26

余雪萍 女，1990年生，博士研究生，研究方向為多端口直流變換器等。E-mail: Xuepingyu@163.com（通信作者）

涂春鳴 男，1976年生，博士，教授，主要研究方向為電能質量與控制、電力電子技術在電力系統中的應用等。E-mail: chunming_tu@263.net

（編輯 陳 誠）