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：538  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。

       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。
       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。

       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。

       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。