20世紀(jì)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(dòng)及容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、不間斷電源和儲(chǔ)能等技術(shù)領(lǐng)域。

通常，雙有源全橋DC-DC變換器有兩種控制方式：

①脈寬調(diào)制控制，即通過(guò)全橋逆變電路將輸入直流電壓逆變成交流電壓，經(jīng)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(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，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(diào)壓范圍有限。

②移相控制，即通過(guò)控制兩個(gè)H橋的驅(qū)動(dòng)脈沖，使其在變壓器的一次側(cè)與二次側(cè)生成具有一定相移的方波電壓或三電平波電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)兩者之間的相移量來(lái)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(tǒng)慣性小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快且易于實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。

然而，在傳統(tǒng)的單重相移控制（Single Phase-Shift, SPS）中，由于控制量?jī)H為兩個(gè)方波電壓之間的相移量，而變換器主要通過(guò)變壓器的漏感或輔助電感來(lái)傳遞能量，因此當(dāng)輸入電壓與輸出電壓不匹配時(shí)，變換器的電感電流應(yīng)力會(huì)急劇增加，進(jìn)一步地將會(huì)導(dǎo)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(wèn)題，各種各樣的優(yōu)化相移調(diào)制方法被相繼提出，包括雙重相移控制（Dual Phase-Shift, DPS）、擴(kuò)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(gè)獨(dú)立的可控相移量，因此其所能實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化范圍最廣。

但在三重相移控制下，變換器的功率模型過(guò)于復(fù)雜，使得其在實(shí)際應(yīng)用中難以推廣。

• 文獻(xiàn)[10]基于擴(kuò)展相移控制提出了一種電流應(yīng)力優(yōu)化算法以減小電流應(yīng)力，提高變換器的效率。然而該方法無(wú)法在全功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制，尤其是在變換器輕載時(shí)的控制效果較差。
• 此外，文獻(xiàn)[11]基于雙重相移控制提出了一種全功率范圍內(nèi)的效率優(yōu)化方法。該方法雖然可以在全功率范圍內(nèi)提高變換器的效率，但計(jì)算過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，難以通過(guò)數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)在線優(yōu)化，只能通過(guò)存儲(chǔ)離線開關(guān)表的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
• 進(jìn)一步地，文獻(xiàn)[12]基于雙重相移控制提出了一種電流應(yīng)力在線優(yōu)化方法以實(shí)現(xiàn)變換器電流應(yīng)力和效率的在線優(yōu)化與連續(xù)控制。

然而，上述文獻(xiàn)所述的優(yōu)化控制方法僅僅將控制目標(biāo)集中于提高變換器的效率，而變換器功率控制只是通過(guò)傳統(tǒng)的PI控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這無(wú)疑使得變換器的動(dòng)態(tài)特性較差。

在雙有源全橋DC-DC變換器的實(shí)際應(yīng)用中，變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)十分重要，尤其是在輸入電壓或負(fù)載存在擾動(dòng)的情況下。

文獻(xiàn)[14-15]通過(guò)建立雙有源全橋DC-DC變換器的狀態(tài)空間平均模型和小信號(hào)模型，初步研究了變換器的動(dòng)態(tài)特性。為了提高變換器的動(dòng)態(tài)性能，文獻(xiàn)[16]通過(guò)建立變換器的線性諧波模型，提出一種前饋補(bǔ)償控制方法以提高變換器對(duì)于負(fù)載突變的響應(yīng)能力。然而，變換器諧波模型的建立過(guò)程較為復(fù)雜，使得該方法的可移植性較差。

同時(shí)，文獻(xiàn)[17]提出了一種電感電流邊界控制方法以提高變換器對(duì)于負(fù)載和參考電壓突變時(shí)的響應(yīng)能力。但該方法在執(zhí)行過(guò)程中不僅需要進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，同時(shí)還需多達(dá)5個(gè)霍爾傳感器，大大增加了系統(tǒng)硬件成本。

此外，文獻(xiàn)[18]基于變換器的功率模型提出了一種負(fù)載電流前饋控制方法。該方法不僅控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且能夠有效地提高變換器對(duì)于負(fù)載突變時(shí)的響應(yīng)能力，但該方法對(duì)于輸入電壓突變時(shí)的響應(yīng)能力有待提升。

進(jìn)一步地，文獻(xiàn)[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(shí)提高變換器對(duì)于負(fù)載突變及輸入電壓突變時(shí)的響應(yīng)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(zhuǎn)換比較大時(shí)效率較低。因此該方法與其他優(yōu)化相移調(diào)制方法相結(jié)合的控制效果還有待討論和驗(yàn)證。

為了同時(shí)提高雙有源全橋DC-DC變換器的效率和動(dòng)態(tài)特性，本文在雙重相移的基礎(chǔ)上提出一種基于模型前饋的電流應(yīng)力優(yōu)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(chǔ)上，結(jié)合拉格朗日函數(shù)與變換器的功率模型，求解出使變換器的電流應(yīng)力最小的優(yōu)化相移量組合。其次，通過(guò)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(dá)到給定值的優(yōu)化外相移量以提高變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。最后，以單重相移電壓閉環(huán)控制方法和雙重相移電流應(yīng)力優(yōu)化控制為參考，對(duì)所提出的基于模型前饋電流應(yīng)力優(yōu)化方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

圖7 基于SiC MOSFET的雙有源全橋DC-DC變換器小型實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

總結(jié)

本文針對(duì)雙有源全橋DC-DC變換器，在雙重相移控制的基礎(chǔ)上提出了一種基于模型前饋的電流應(yīng)力優(yōu)化方法以同時(shí)提高變換器的效率和動(dòng)態(tài)性能。

相比于現(xiàn)有的雙重相移電流應(yīng)力優(yōu)化方法，該方法不僅可以有效地減小變換器的電流應(yīng)力，提高變換器的效率，同時(shí)可以顯著提高變換器對(duì)于負(fù)載突變以及輸入電壓突變時(shí)的響應(yīng)能力。當(dāng)輸入電壓或負(fù)載突變時(shí)，輸出電壓基本保持不變，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間幾乎為零。

此外，該方法可以改善變換器的啟動(dòng)特性，使得變換器在沒(méi)有超調(diào)的情況下快速達(dá)到參考電壓。