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变频+移相控制的双有源串联谐振DC-DC变换器的小信号建

韩伟健;马瑞卿;刘青

【期刊名称】《《西北工业大学学报》》

【年(卷),期】2019(037)004

【总页数】8页(P830-837)

【关键词】DC-DC变换器;双有源;串联谐振;小信号建模;变频;移相

【作者】韩伟健;马瑞卿;刘青

【作者单位】西北工业大学自动化学院陕西西安710072;帕多瓦大学信息工程学

院意大利帕多瓦35131

【正文语种】中文

【中图分类】TM46

双向DC-DC变换器广泛应用于需要功率双向传输的场合中,如电动汽车、直流微/

纳米电网、不间断供电系统等。作为直流总线与储能单元之间的关键接口,双向

DC-DC变换器在系统能量管理和控制中发挥着举足轻重的作用,受到了国内外学者

的广泛关注,成为一个热门的研究方向。

双有源串联谐振DC-DC变换器(dualactivebridgeseriesresonantDC-DC

converter,DABSRC)适用于中、高功率双向能量传输的应用场合。其主要特点包

括:①电路结构双向对称,兼备升/降压能力;②谐振电容能够阻隔直流电流分量,限

制异常情况下的故障电流[1];③其固有的谐振特性为变换器的设计和控制提供了

更高的灵活性。对于双向DC-DC变换器而言,特别是在高电压、高功率(1kW)应

用中,通常希望有源功率器件尽可能地实现软开关运行。一方面,软开关可以有效降

低开关损耗,提升变换器的效率。另一方面,软开关可以抑制开关瞬间的电压变化率,

减小电磁干扰。此外,软开关还有助于降低功率管在开关瞬间的电压振铃,提高变换

器的可靠性[2]。然而,受到环境因素和储能单元充放电的影响,双向DC-DC变换器

通常工作于较宽的电压范围和负载范围。这对实现DABSRC的软开关运行提出了

挑战。采用定频移相控制的DABSRC在轻载和半载情况下工作在硬开关状态[3]。

以降低谐振电流有效值为目标,采用移相+PWM的控制策略能够有效地改善变换器

的工作效率,但仍无法实现变换器在宽范围条件下的软开关运行[4-5]。为了实现

DABSRC在宽电压和宽负载范围工况下的软开关运行,文献[6]提出了一种变频+移

相控制的零电压开关(zerovoltageswitching,ZVS)控制器,有效地扩展了变换器

的软开关范围。

在实际应用中,双向DC-DC变换器的输出电压或电流需要通过闭环控制进行动态

地调节。对于一个稳定的闭环控制器设计而言,小信号模型提供了变换器在某一个

稳态工作点的动态特性,是闭环控制器设计的重要依据。目前,DABSRC的小信号建

模主要是采用相量变换的方法[7-8]。例如,文献[8]建立了PWM+移相控制下

DABSRC的小信号相量模型。在此基础上,文献[9]提出了DABSRC的增益可调控

制策略来优化变换器的带宽。但是,上述文献中所提出的模型仅适用于固定开关频

率的变换器中,对变频+移相控制的DABSRC并不适用。

由于双向DC-DC变换器的负载类型可以是恒压型负载也可以是阻性负载。本文的

分析讨论主要针对阻性负载,但对于恒压型负载的情况,本文所提出的建模方法同样

适用。本文基于广义平均建模法[10-11],考虑谐振电感和谐振电容在开关频率处的

动态特性,针对文献[6]中提出的ZVS控制策略,建立了变频+移相控制下DABSRC

的小信号连续域模型,并在此基础上设计了闭环控制器。所建立的模型为闭环控制

器的设计提供了有效的依据。仿真和实验结果验证了模型的准确性。

1DABSRC的ZVS变频+移相控制

本文所讨论的DABSRC为非隔离半桥拓扑,如图1所示。半桥拓扑通常适用于几百

瓦至几千瓦的功率范围[12-13]。该变

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