贵定双有源桥DC-DC[cityname]油浸式变压器变换器传输开关组合规律的

清华大学电机系电力[cityname]油浸式变压器系统及发电设备安全控制和仿真重点[cityname]油浸式变压器实验室的研究人员谷庆、袁立强、聂金铜、李婧、赵争鸣，在2017年第13期《电工技术学报》上撰文，双有源桥DC-DC[cityname]油浸式变压器变换器（DAB）采用移相控制时拥有三个互相独立的移相自由度，通过DAB一次侧、二次侧输出电压的解耦，将三个移相自由度任意组合下的DAB工作状态划分为12个模式。
对12个模式的[cityname]油浸式变压器传输功率分别进行计算，推导各模式下[cityname]油浸式变压器传输功率的取值范围，并在此基础上对三重移相控制下DAB的[cityname]油浸式变压器传输功率特性进行研究。通过对三个移相自由度做一些特殊赋值，三重移相控制可以简化为单重移相控制、拓展移相控制和双重移相控制，研究这四种移相控制方法的[cityname]油浸式变压器传输功率范围，并对它们功率[cityname]油浸式变压器传输的灵活性进行比较。后，通过[cityname]油浸式变压器实验验证了理论分析结果。
电能路由器或者电力电子变压器的[cityname]油浸式变压器拓扑经过多年的发展，形成了目前具有代表性的三级式结构[1]，由输入整流器、中间双向隔离DC-DC[cityname]油浸式变压器变换器（IsolatedBidirectional DC-DC Converter, IBDC）和输出逆变[cityname]油浸式变压器等三级组成。
输入整流器和输出逆变[cityname]油浸式变压器主要由电力电子[cityname]油浸式变压器变换器构成，其[cityname]油浸式变压器拓扑和相应的控制策略已经有了较为成熟的研究。而中间的IBDC作为两端能量汇集与耦合中心，在电力电子[cityname]油浸式变压器变换器和高频变压器的共同作用下，属于典型的铜、铁和半导体组合[cityname]油浸式变压器系统，在电能路由器中承担着电气隔离、电压[cityname]油浸式变压器变换和功率双向[cityname]油浸式变压器传输等核心功能。
IBDC是在传统非隔离DC-DC[cityname]油浸式变压器变换器的基础上发展而来的，具有多种不同的[cityname]油浸式变压器拓扑形式，目前应用广泛的是一种被称作双有源桥（Dual ActiveBridge, DAB）DC-DC[cityname]油浸式变压器变换器（后文简称DAB）的结构。与其他使用较少开关管的[cityname]油浸式变压器拓扑相比，在器件承压和通流能力一定的条件下，DAB具有更大的功率[cityname]油浸式变压器变换能力[2]，有助于降低[cityname]油浸式变压器系统的体积、提高[cityname]油浸式变压器系统的功率密度。
DAB的典型[cityname]油浸式变压器拓扑如图1所示，由输入H桥、高频变压器和输出H桥等三部分组成，是典型的多变量、非线性、强耦合[cityname]油浸式变压器系统。对其进行准确建模，进而对不同目标变量进行优化控制是DAB研究的热点和难点。而DAB在[cityname]油浸式变压器系统中的基本功能之一是承担功率的双向[cityname]油浸式变压器传输任务，因此对[cityname]油浸式变压器传输功率进行细致研究是DAB优化控制与运行的基础和前提。
图1 DAB的[cityname]油浸式变压器拓扑结构

从控制角度出发，移相控制由于具有原理简单、易于实现软开关、[cityname]油浸式变压器系统动态响应快等优点，成为DAB的主流控制方法。简单的移相控制方法是单重移相（Single PhaseShift, SPS）控制，即给DAB的一次侧H桥和二次侧H桥分别施加一组具有一定移相角度的驱动信号，使得一次侧、二次侧H桥输出两个具有一定移相角度的方波电压。定义移相角度与半个开关周期的比值为移相比，则通过对移相比进行调整，就可以实现功率的正向或反向[cityname]油浸式变压器传输以及改变所要[cityname]油浸式变压器传输的功率大小。
文献[3]详细分析了DAB在SPS控制下的工作原理，并在此基础上推导了其功率[cityname]油浸式变压器传输特性。此外，SPS控制还可以应用于具有其他结构的双向DC-DC[cityname]油浸式变压器变换器中，文献[4]介绍了SPS控制在二极管钳位三电平半桥双向DC-DC[cityname]油浸式变压器变换器中的应用，并对其[cityname]油浸式变压器传输功率和软开关进行了分析。SPS控制虽然原理简单，但其不可避免地会产生较大的回流功率，同时在一次、二次电压和变压器匝比不匹配时，会产生较大的电流应力，造成[cityname]油浸式变压器系统的损耗增大，降低[cityname]油浸式变压器系统的效率。
鉴于此，文献[5]提出了一种拓展移相（Extended Phase Shift, EPS）控制方法，除了一次侧、二次侧H桥之间原有的外移相比之外，又在某一个H桥内部的两个桥臂之间新增了一个内移相比，在EPS控制下，DAB的回流功率得到了显著降低。
文献[6-10]进一步研究了EPS控制下DAB的回流功率、电流应力及软开关等特性，并分别提出了对相应目标变量进行优化的控制策略。不同于EPS控制，文献[11]在一次侧、二次侧两个H桥内部同时设置内移相比，且保持两个内移相比相等，从而提出了一种双重移相（Dual PhaseShift, DPS）控制方法。文献[11]对DPS控制下DAB的[cityname]油浸式变压器传输功率进行了细致分析，并与SPS控制进行了对比研究，但是该文献并没有对DPS控制可能出现的所有情况进行分析，而只研究了其中的两种情况，从而导致[cityname]油浸式变压器实验结果与理论分析不尽相同。文献[12]对DPS控制的所有模态进行了分析，并推导了电流应力小的条件以及更优电流控制的原理和实现方案。
事实上，当采用移相控制时，DAB具有三个互相独立的控制自由度，即一次侧H桥的内移相比、二次侧H桥的内移相比和两个H桥之间的外移相比，当一个DAB[cityname]油浸式变压器系统同时具有上述三个独立的移相比时，即称之为工作于三重移相（Triple PhaseShift, TPS）控制方法下。SPS控制、EPS控制和DPS控制均是TPS控制的一种特殊情况，因此对TPS控制进行研究更具有一般性和普遍适用性，也能够更加充分地挖掘DAB控制自由度之间的组合对[cityname]油浸式变压器系统性能提升的能力。目前关于TPS控制的研究尚处于起步阶段。
文献[13-16]分别分析了TPS控制的工作原理，对TPS控制下DAB的[cityname]油浸式变压器传输功率、软开关、回流功率和电流应力等特性进行了研究。但是上述文献都只涉及TPS控制下的某一个或几个模式分析，不能全面反映移相自由度的任意组合以及电路参数的变化对[cityname]油浸式变压器系统性能的影响。实际上，由于三个移相自由度之间的相互独立，对于图1所示的DAB[cityname]油浸式变压器系统，其具有无穷多种开关组合状态，因此如何对TPS控制下可能出现的所有模式进行完全分类是TPS控制的基础和难点。
本文首先分析TPS控制的工作原理，并对TPS控制下可能出现的所有模式进行分类，在此基础上对不同开关组合下DAB的[cityname]油浸式变压器传输http://pingwu.76yo.com/功率特性进行研究。通过对三个移相自由度进行简化处理，对比研究SPS控制、EPS控制、DPS控制和TPS控制下DAB的[cityname]油浸式变压器传输功率特性差异。后通过[cityname]油浸式变压器实验对理论分析结果进行验证。
结论
本文首先分析了双有源桥DC-DC[cityname]油浸式变压器变换器三重移相控制的工作原理，接着针对三个移相自由度的可能组合将三重移相控制划分为12种工作模式，在此基础上对任意开关组合下DAB的[cityname]油浸式变压器传输功率进行了计算。通过对三重移相控制进行简化，可以将其降阶为单重移相控制、拓展移相控制和双重移相控制。
详细分析了四种移相控制方法的[cityname]油浸式变压器传输功率特性，结果表明：四种移相控制方法具有相同的功率[cityname]油浸式变压器传输范围，但就功率[cityname]油浸式变压器传输的灵活性而言，三重移相控制具有极大的优势，而拓展移相控制相较双重移相控制而言灵活性更强，单重移相控制的功率[cityname]油浸式变压器传输灵活性弱，通常欲[cityname]油浸式变压器传输一定的功率，其只有两个可供选择的外移相比。
后搭建了DAB[cityname]油浸式变压器实验平台对本文的理论分析结果进行了验证，[cityname]油浸式变压器实验结果和理论分析能够很好地匹配，证明了理论分析的正确性。