双主动桥隔离双向DC-DC变换器(二) 基本特性

为了帮助自己和大家对双主动桥隔离双向DC-DC变换器有一个初步了解,将翻译一篇发表于IEEE on Power Electronics的高引用综述。无其他用途,仅学习交流用。

首先感谢原文作者给予的宝贵的学习机会。

原文名称:Overview of Dual-Active-Bridge Isolated Bidirectional DC–DC Converter for High-Frequency-Link Power-Conversion System  https://ieeexplore.ieee.org/document/6658916/

II 基本特性

A 基本原理

文献[40]和[41]对DAB-IBDC在稳态下的运行、设计和控制进行综合分析,文献[42]提出了一种利用自然开关面的DAB-IBDC边界控制方案。文献[43]讨论了具有相移控制的短时间尺度瞬态过程,并提出了一套提高系统鲁棒性的策略。

图 3 传统交流电源及DAB-IBDC系统的基本原理

如图 3所示,与传统交流电源系统的功率传输控制类似,通过调整全桥H1和H2的交流输出方波电压VH1和VH2之间的相移可以改变电感电流iL的方向和大小,进而控制DAB-IBDC的潮流方向和大小。不同的是,在传统的交流电源系统中,电感两侧的电压是线频正弦波,在DAB-IBDC中是高频方波。传统交流电源系统和DAB-IBDC传输功率模型可导出为

其中Vrms1和Vrms2是正弦波的均方根(RMS),是交流电压之间的相移。事实上,由于高频功率传输,功率密度和模块化显著提高。因此,DAB-IBDC被认为是HFL-PCS的核心电路,吸引了大量的注意。除了这些基本特征外,DAB-IBDC的研究还侧重于传输功率特性、死区效应和动态模型。

B 传输功率特性

用单相移位(SPS)控制的DAB-IBDC的基本传输功率特性如图4(a)所示,其中是相移比[40]。从图中4(a)可得出结论:传输功率关系曲线围绕中轴D=0.5对称,在D=0和D=0.5分别达到传输功率的零点和最大点,当时,传输功率随D的增加而增大,当时,传输功率随D的增加而减小。这些结论通常被用来为功率预测和设计提供参考。

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在此基础上,在文献[44]-[46]中讨论了扩展相移(EPS)和双相移(DPS)控制的传输功率特性。在文献[26]中,还得出了DPS控制不能增加最大传输功率容量的结论,从而修正了文献[46]中得出的最大输出功率为SPS控制4/3倍。由于增加了内相移比D1传输功率的调节范围从图中的单个曲线变化到图4(b)和(c)中的二维区域。EPS和DPS控制,具有相同的外相移比(D2=D),提供了广泛的功率传输范围,增强了调节的灵活性。此外,当D2=D<0.5时,与SPS和DPS控制相比,EPS控制可以通过调整D1来增加传输功率容量。

SPS、EPS和DPS控制的时序图 5如所示,将在第四节中进一步讨论。

图 4 DAB-IBDC的功率传输特性 (a)单重移相控制(b)扩展移相控制(c)双重移相控制

 

图 5(a)SPS控制(b)EPS控制(c)DPS控制(d)TPS控制

C 死区效应

在上一节中,功率传输特性未考虑死区的影响。但实际上,必须设置死区,以防止两个开关短路在同一桥臂上,这种影响将会导致开关特性的变化。

文献[47]、[48]对DAB-IBDC的死区效应进行了全面的理论分析和实验验证。此外,文献[49]、[50]还讨论了扩展软开关范围和提高IBDC效率的死区控制方法。电压极性反转与电压下降现象由死带效应引起的如图 6所示。在此基础上,可以对传输功率特性进行校正,如图 7所示,其中M是半开关周期内的死区比。在传输功率特性中,由于死区的加入,出现了相位漂移现象;也就是说,在一定范围内,随着D的增加,传输功率保持不变,当相移时间大于死时间时,传输功率开始近似变化。

图 6(a)电压极性反转现象(b)电压下降现象

图 7 带死区效应的改进传输功率特性

D 动态模型

控制器的设计需要一个小信号平均模型。在[41]、[51]-[56]中研究了DAB-IBDC的动态模型分析。图8显示了[41]中提出的平均模型和小信号模型的等效电路。文献[51]-[53]讨论了忽略变压器电流动态的简化降阶模型。考虑到漏感电流和谐振转换间隔,文献[54]对零电压开关(ZVS)相移DAB-IBDC进行了全阶小信号建模和动态分析,提出了一种开发离散时间平均模型的通用建模方法。在文献[55]中导出了一种精确的小信号模型,包括用于DAB-IBDC数字控制的电磁干扰(EMI)滤波器。文献[56]以变压器电流和电容电压的直流项和一阶项作为状态变量,研究了全阶连续时间平均建模和动态分析,这导致模型成为三阶模型如果不考虑电容器等效串联电阻(ESR),如果考虑ESR,则模型是六阶模型。

通常,全阶离散时间模型可以在低频下获得比降阶模型更高的精度。然而,连续时间模型通常是首选的,因为它提供了更多的物理洞察力,并促进了控制设计[56]。

图 8 动态模型等效电路(a)平均模型(b)小信号模型

 

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