DAB拓扑学习01:系统整理-基于南航杨敏的论文(持续更新中......)

DAB学习整理

DAB参考文献

《PWM移相控制双有源全桥双向DC-DC变换器的研究 - 杨敏》

《双有源全桥变换器建模与优化调制 - 李国杰》

DAB全称:双有源桥式双向 DC-DC 变换器(Dual-Active-Bridge,DAB)

DAB组成:两个桥式变换单元、电感和隔离变压器。

一、绪论

  • 先看一种基于直流母线的可再生能源联合发电系统,由发电储能负载单元组成;
  • 其中储能单元与直流母线之间需要通过一个双向DC-DC变换器来控制能量的双向交换。
  • 本文的重点,就是双有源桥DAB,由两个桥式变换单元电感隔离变压器组成。
  • 通过控制原边副边的开关网络,可以分别得到一个交流方波电压 v A B v_{AB} vAB v C D v_{CD} vCD,其幅值分别为 V 1 V_1 V1和 V 2 V_2 V2。
    • v C D ′ v_{CD}^{'} vCD′:是 v C D v_{CD} vCD折算到原边的电压;
    • D y 1 D_{y1} Dy1:为 v A B v_{AB} vAB的占空比;
    • D y 2 D_{y2} Dy2:为 v C D ′ v_{CD}^{'} vCD′的占空比;
    • D φ D_{\varphi} Dφ:是 v A B v_{AB} vAB和 v C D ′ v_{CD}^{'} vCD′的基波分量之间的移相角相对于 π \pi π的占空比;
    • K K K:为变压器原副边的匝比;
  • 因此, D y 1 D_{y1} Dy1、 D y 2 D_{y2} Dy2、 D φ D_{\varphi} Dφ是DAB的三个可控变量,对这三个变量进行组合和优化,可得到不同控制策略:
  • 移相控制:此时 v A B v_{AB} vAB和 v C D v_{CD} vCD都是满占空比,即 D y 1 = 1 D_{y1}=1 Dy1=1 和 D y 2 = 1 D_{y2}=1 Dy2=1,通过控制 D φ D_{\varphi} Dφ来调节传输功率的大小和方向。
    • SPS控制:控制,外移相角;
  • 单PWM+移相控制:除了控制 D φ D_{\varphi} Dφ,还控制高压侧的占空比 D y 1 D_{y1} Dy1 或 D y 2 D_{y2} Dy2。
    • EPS控制:控制,外移相角+一个内移相角;
  • 双PWM+移相控制:仍以控制 D φ D_{\varphi} Dφ来控制功率为前提,同时还有 D y 1 D_{y1} Dy1 和 D y 2 D_{y2} Dy2两个控制变量。
    • DPS控制:控制,外移相角+原副边两个内移相角,但两个内移相角保持相同
    • TPS控制:控制,外移相角+原副边两个内移相角,但两个内移相角可以不同;(即DPS是TPS的一个特例)
  • 综上,控制策略目的:提高变换器效率
    优化目标包括:
    • 实现软开关;(本文章优化目标)
    • 电感电流峰值最小;(本文章优化目标)
    • 无功功率最小;
    • 所有损耗最小;

二、移相控制

  • 通过控制原、副边桥臂中点电压 v A B v_{AB} vAB v C D v_{CD} vCD之间移相角的大小来控制功率,该移相角与 π \pi π之比为移相占空比 D φ D_{\varphi} Dφ。

2.1、工作原理

  • 变换器正向工作时,原边全桥Q1Q2Q3Q4的驱动信号,分别超前于副边全桥Q5Q6Q7Q8,如图所示:
  • 变换器正向工作时,原边电压 v A B v_{AB} vAB、副边折算到原边电压 v C D ′ v_{CD}^{'} vCD、电感电压 v L v_{L} vL、电感电流 i L i_{L} iL波形,如图:
  • 开关模态0: t 0 t_{0} t0时刻之前
  • 在 t 0 t_{0} t0时刻之前,原边Q2Q3、副边Q6Q7导通,电感电流 i L i_{L} iL为负。
  • 电源 V 1 V_{1} V1输出功率, V 2 V_{2} V2吸收功率。
  • 开关模态1: [ t 0 , t 1 ] [t_{0},t_{1}] [t0,t1]
  • 在 t 0 t_{0} t0时刻,原边Q2Q3关断;
  • 由于实际上下桥臂的驱动信号存在死区时间,因此Q2Q3关断后,互补的Q1Q4并不会马上导通;
  • 因此此阶段电感电流 i L i_{L} iLQ2Q3上的结电容充电,同时给Q1Q4上的结电容放电;
  • 到 t 1 t_{1} t1时刻,Q2Q3上的结电容电压上升到 V 1 V_{1} V1;而Q1Q4上的结电容电压下降到0,此时对应的反并联二极管自然导通;
  • 因此,Q1Q4可以实现零电压开关ZVS。(这里论文说是Q2Q3零电压关断??)
  • 开关模态2: [ t 1 , t 2 ] [t_{1},t_{2}] [t1,t2]
  • 当原边Q1Q4导通后,此时原边 v A B = V 1 v_{AB}=V_{1} vAB=V1,副边 v C D = − V 2 v_{CD}=-V_{2} vCD=V2
  • 因此,电感两端电压 v L = V 1 + K V 2 v_{L}=V_{1}+KV_{2} vL=V1+KV2,电感电流 i L i_{L} iL线性上升;
  • 上升斜率为:
    d i L d t = V 1 + K V 2 L \frac{{\rm d}i_{L}}{{\rm d}t}=\frac{V_{1}+KV_{2}}{L} dtdiL=LV1+KV2
  • 电感电流 i L i_{L} iL表达式为:
    i L ( t ) = i L ( t 1 ) + V 1 + K V 2 L ∗ t i_{L}(t)=i_{L}(t_{1})+\frac{V_{1}+KV_{2}}{L}*t iL(t)=iL(t1)+LV1+KV2∗t
  • 开关模态3: [ t 2 , t 3 ] [t_{2},t_{3}] [t2,t3]
  • 这其实是续着模态2,只是从 t 2 t_{2} t2时刻开始, i L i_{L} iL为正;
  • 原边:电流从Q1Q4中流过, v A B = V 1 v_{AB}=V_{1} vAB=V1
  • 副边:电流从Q6Q7中流过, v C D = − V 2 v_{CD}=-V_{2} vCD=V2
  • 电感电压 v L = V 1 + K V 2 v_{L}=V_{1}+KV_{2} vL=V1+KV2,电感电流 i L i_{L} iL继续线性上升;
  • 电源 V 1 V_{1} V1 V 2 V_{2} V2同时给电感储能;
  • 开关模态4: [ t 3 , t 4 ] [t_{3},t_{4}] [t3,t4]
  • 在 t 3 t_{3} t3时刻,副边Q6Q7关断;
  • 电感电流 i L i_{L} iLQ6Q7上的结电容充电,同时给Q5Q8上的结电容放电;
  • 到 t 4 t_{4} t4时刻,Q6Q7上的结电容电压上升到 V 2 V_{2} V2;而Q5Q8上的结电容电压下降到0,此时对应的反并联二极管自然导通;
  • 因此,Q5Q8可以实现零电压开关ZVS。(这里论文说是Q6Q7零电压关断??)
  • 开关模态5: [ t 4 , t 5 ] [t_{4},t_{5}] [t4,t5]

2.2、工作特性

①:传输功率

②:软开关范围

三、单PWM+移相控制

3.1、工作原理

3.2、工作特性

①:传输功率

②:软开关范围

3.3、单PWM+移相控制策略优化

四、双PWM+移相控制

  • 第三章,优化的单PWM加移相控制,在空载时电感电流不为0;
  • 第四章,控制移相角 D φ D_{\varphi} Dφ,还控制高压侧的占空比 D y 1 D_{y1} Dy1 、低压侧占空比 D y 2 D_{y2} Dy2。
  • 对原副边的占空比进行优化,使变换器在全负载范围内满足软开关条件,且轻载时电感电流有效值最小,空载时电流为零。

4.1、工作原理

  • 定义:
  • 电压比: k = K V 2 / V 1 k=KV_2/V_1 k=KV2/V1, k ≤ 1 k≤1 k≤1时正向功率传输;
  • 实现软开关,一般控制高压侧占空比小于低压侧占空比:
    • 则当 k ≤ 1 k≤1 k≤1时,即 V 1 ≥ K V 2 V_1≥KV_2 V1≥KV2时, D y 1 D_{y1} Dy1和 D y 2 D_{y2} Dy2需满足: D y 1 ≤ D y 2 D_{y1}≤D_{y2} Dy1Dy2
  • 定义: v A B v_{AB} vAB的 0 0 0 到 V 1 V_1 V1的上升沿滞后于 v C D v_{CD} vCD的 0 0 0 到 K V 2 KV_2 KV2的上升沿,滞后相位为 D α π D_{\alpha}π Dαπ:
    • 则 D α D_{\alpha} Dα的大小为: D α = 1 2 ( D y 2 − D y 1 − 2 D φ ) D_{\alpha}=\frac{1}{2}(D_{y2}-D_{y1}-2D_{\varphi}) Dα=21(Dy2Dy12Dφ)

4.2、工作特性

①:传输功率

②:软开关范围

4.3、双PWM+移相控制策略优化

DAB参考文献2

  • 《双有源桥式DC-DC变换器优化控制策略研究》
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