- 頭條基于模型前饋的雙有源全橋DC-DC變換器電流應力優化方法2020-05-18 作者：安峰、楊柯欣、王嵩、羅書聰、馮曉云 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語西南交通大學電氣工程學院的研究人員安峰、楊柯欣、王嵩、羅書聰、馮曉云，在2019年第14期《電工技術學報》上撰文，為了減小雙有源全橋DC-DC變換器的電流應力，提高變換器的效率，同時顯著增強變換器的動態性能，本文在雙重相移控制的基礎上提出一種基于模型前饋的電流應力優化方法。 該方法通過建立變換器輸出電壓的離散模型并引入前饋控制，同時結合電流應力優化計算，可以實現變換器效率優化并顯著地提高其對于負載突變和輸入電壓突變的響應能力。同時，該方法可以有效地改善變換器的起動特性，使得輸出電壓在無明顯超調的情況下直接達到給定電壓值。 最后，搭建了以TMS320F28335為核心控制器的基于SiC MOSFET的雙有源全橋DC-DC變換器小功率實驗樣機，以傳統的單重相移電壓閉環控制方法和雙重相移電流應力優化控制為參考，對所提出的基于模型前饋的電流應力優化方法進行對比實驗，實驗結果驗證了所提控制方法的正確性與有效性。
20世紀90年代，Doncker等提出了雙有源全橋（Dual Active Bridge, DAB）DC-DC變換器，由于其具有電氣隔離、功率密度高、能量可以雙向流動及容易實現軟開關等諸多優點而被廣泛應用于電動汽車、不間斷電源和儲能等技術領域。
通常，雙有源全橋DC-DC變換器有兩種控制方式：
①脈寬調制控制，即通過全橋逆變電路將輸入直流電壓逆變成交流電壓，經高頻隔離變壓器后，再由全橋整流將交流電變成直流電。該方法雖然簡單且易于實現，但由于全橋逆變所輸出的交流電壓有效值只能低于直流輸入電壓，因此其調壓范圍有限。
②移相控制，即通過控制兩個H橋的驅動脈沖，使其在變壓器的一次側與二次側生成具有一定相移的方波電壓或三電平波電壓，通過調節兩者之間的相移量來控制變換器傳輸功率的大小和方向。在該方法下，變換器的系統慣性小、動態響應快且易于實現軟開關。
然而，在傳統的單重相移控制（Single Phase-Shift, SPS）中，由于控制量僅為兩個方波電壓之間的相移量，而變換器主要通過變壓器的漏感或輔助電感來傳遞能量，因此當輸入電壓與輸出電壓不匹配時，變換器的電感電流應力會急劇增加，進一步地將會導致效率降低，電壓/電流變化率增大甚至功率器件的損壞。
為了解決這一問題，各種各樣的優化相移調制方法被相繼提出，包括雙重相移控制（Dual Phase-Shift, DPS）、擴展相移控制以及三重相移控制。其中，三重相移控制包含三個獨立的可控相移量，因此其所能實現的優化范圍最廣。
但在三重相移控制下，變換器的功率模型過于復雜，使得其在實際應用中難以推廣。
- 文獻[10]基于擴展相移控制提出了一種電流應力優化算法以減小電流應力，提高變換器的效率。然而該方法無法在全功率范圍內實現優化控制，尤其是在變換器輕載時的控制效果較差。
- 此外，文獻[11]基于雙重相移控制提出了一種全功率范圍內的效率優化方法。該方法雖然可以在全功率范圍內提高變換器的效率，但計算過程過于復雜，難以通過數字控制器實現在線優化，只能通過存儲離線開關表的方式來實現。
- 進一步地，文獻[12]基于雙重相移控制提出了一種電流應力在線優化方法以實現變換器電流應力和效率的在線優化與連續控制。
然而，上述文獻所述的優化控制方法僅僅將控制目標集中于提高變換器的效率，而變換器功率控制只是通過傳統的PI控制器來實現，這無疑使得變換器的動態特性較差。
在雙有源全橋DC-DC變換器的實際應用中，變換器的動態響應十分重要，尤其是在輸入電壓或負載存在擾動的情況下。
文獻[14-15]通過建立雙有源全橋DC-DC變換器的狀態空間平均模型和小信號模型，初步研究了變換器的動態特性。為了提高變換器的動態性能，文獻[16]通過建立變換器的線性諧波模型，提出一種前饋補償控制方法以提高變換器對于負載突變的響應能力。然而，變換器諧波模型的建立過程較為復雜，使得該方法的可移植性較差。
同時，文獻[17]提出了一種電感電流邊界控制方法以提高變換器對于負載和參考電壓突變時的響應能力。但該方法在執行過程中不僅需要進行復雜的計算，同時還需多達5個霍爾傳感器，大大增加了系統硬件成本。
此外，文獻[18]基于變換器的功率模型提出了一種負載電流前饋控制方法。該方法不僅控制結構簡單，且能夠有效地提高變換器對于負載突變時的響應能力，但該方法對于輸入電壓突變時的響應能力有待提升。
進一步地，文獻[19]基于單重相移控制提出了一種虛擬直接功率控制方法。該方法可以同時提高變換器對于負載突變及輸入電壓突變時的響應能力，但該方法所采用的單重相移控制使得變換器在電壓轉換比較大時效率較低。因此該方法與其他優化相移調制方法相結合的控制效果還有待討論和驗證。
為了同時提高雙有源全橋DC-DC變換器的效率和動態特性，本文在雙重相移的基礎上提出一種基于模型前饋的電流應力優化方法。
首先，分析了變換器在雙重相移控制下的功率特性；在此基礎上，結合拉格朗日函數與變換器的功率模型，求解出使變換器的電流應力最小的優化相移量組合。其次，通過建立變換器在不同工作條件下輸出電壓的離散模型并引入前饋控制，得到使變換器輸出電壓達到給定值的優化外相移量以提高變換器的動態響應能力。最后，以單重相移電壓閉環控制方法和雙重相移電流應力優化控制為參考，對所提出的基于模型前饋電流應力優化方法進行對比實驗。
圖7 基于SiC MOSFET的雙有源全橋DC-DC變換器小型實驗樣機
總結
本文針對雙有源全橋DC-DC變換器，在雙重相移控制的基礎上提出了一種基于模型前饋的電流應力優化方法以同時提高變換器的效率和動態性能。
相比于現有的雙重相移電流應力優化方法，該方法不僅可以有效地減小變換器的電流應力，提高變換器的效率，同時可以顯著提高變換器對于負載突變以及輸入電壓突變時的響應能力。當輸入電壓或負載突變時，輸出電壓基本保持不變，其動態響應時間幾乎為零。
此外，該方法可以改善變換器的啟動特性，使得變換器在沒有超調的情況下快速達到參考電壓。
