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将移相和调频结合的新调制策略,可实现所有开关管的零电压开通

The new modulation strategy combining phase shift and frequency modulation can realize zero voltage opening of all switching tubes

作者:本站  来源:转载  浏览:108  发布时间:2024-01-15

       DAB(Dual Active Bridge,DAB)型的双向AC-DC变换器,具有电路结构简单、控制容易等优点。传统的DAB型双向AC-DC变换器通常采用移相调制策略,难以实现全范围软开关,开关损耗大,效率难以进一步提升。针对该问题,本文提出了一种基于临界电流模式(Boundary Current Mode,BCM)的调制策略,将移相和调频结合,实现所有开关管的零电压开通,减少了开通损耗。论文分析了该调制策略的工作原理与软开关条件,推导了各控制量的数学表达式,并给出了调制的实现方式及其控制框图。论文从多角度分析了用于实现软开关的复位电流对变换器的影响,并对软开关所需的移相占空比范围进行理论计算,证明了该方法在全范围内实现软开关的可行性。最后搭建了500W双向AC-DC样机,对所提控制策略进行验证,证明了其正确性和有效性。


1研究背景

       双向AC-DC变换器广泛应用在新能源、微网和电动汽车充电等领域。其拓扑结构可分为两级式和单级式结构。两级式拓扑通常由前级PWM整流器和后级DAB或谐振变换器构成,该结构前后级控制相对独立简单,已广泛应用于各种交直流电能变换中。而相对两级式拓扑,单级式拓扑实现功率单级变换,具有高效、高功率密度和低成本等潜在优势。本文研究的单级双向DAB型AC/DC变换器拓扑如图1所示。

图1 双向开关DAB型单级式双向AC-DC拓扑
       传统DAB型双向AC-DC变换器通常采用移相调制策略,有单移相调制、双移相调制和三移相调制,通过调制不同桥臂之间的移相角以实现功率控制。尽管多重移相调制可拓展软开关范围,但是难以在全负载范围实现软开关,且在轻载时存在较大环流。


2论文所解决的问题及意义

       考虑到DAB型单级AC-DC变换器在仅采用移相调制时难以实现全负载软开关,我们提出了一种改进型的基于临界电流连续模式的调制策略,将移相和调频相结合,给出了移相和调频的解析表达式,实现所有开关管的零电压开通,有效降低了开通损耗,提高了变换器效率。


3论文方法及创新点

       我们提出了一种改进型的基于临界电流连续模式的调制策略,在进行功率因数校正(Power Factor Correction PFC)的同时,控制使电感电流在每个开关周期内为双向电,为开关管提供零电压开通(Zero Voltage Switch ZVS)条件。其电感电流波形如图2所示。
图2 临界电流模式电流控制效果
       该变换器采用单移相+调频控制策略,在交流侧电压正半工频周期期间,此时交流侧开关管S3和S4常通,正反向工作主要波形如图3所示。


图3 单移相临界电流模式典型工作波形
       以图3(a)整流模式为例,规定图1电感电流流向为“正”。t0时刻交流侧开关管S1开通,只需控制此刻电流为复位电流IB方向为“负”,流过开关管S1的体二极管,即实现交流侧开关管零电压开通;t2时刻直流侧开关管S5和S8开通,此时由于功率为正向传输,t0~t4时刻电感电流平均值为“正”,而根据移相关系,t2时刻电感电流方向必定为“正”, 流过S5和S8的体二极管,此时电流为峰值,自然可实现直流侧开关管零电压开通。
       类似地,可以分析负半周期开关工作状态。因此,我们通过调节交直流两侧开关管驱动信号的移相角D以及开关频率f,即可同时实现功率因数校正以及零电压开通。



图4 单级式双向AC-DC实验平台
       最后,研究人员搭建了500W的单级式AC-DC变换器样机来验证理论可行性,该实验样机如图4所示。实验验证所提调制策略能在全范围内实现零电压开通,变换器最高效率为94.0%。该调制策略适用于中小功率双向变换器。


4结论

       本文提出了一种改进型的基于临界电流连续模式的调制策略,分析了单级式双向AC-DC变换器的临界电流调制基本原理和软开关实现条件,并推导出软开关条件下的移相和频率解析表达式。搭建了直流48V、交流220V、500W的实验样机,最高效率达到94.0%,实验验证所提调制策略的有效性和正确性。