电气工程学报, 2018, 13(7): 8-15 doi: 10.11985/2018.07.002

双有源桥DC-DC暂态直流偏置分析和抑制策略研究

雷涛1, 李龙春2, 邬岑颖3, 张晓斌1

1. 西北工业大学自动化学院 西安 710072

2. 陕西航空电气有限责任公司 西安 710065

3. 沈阳飞机设计研究所 沈阳 110034

Study of Transient DC Bias Analysis and Suppression Methods in Dual Active Bridge Converter

Lei Tao1, Li Longchun2, Wu Cenying3, Zhang Xiaobin1

1. Northwestern Polytechnical University Xi'an 710072 China

2. Shanxi Aero Electric Co.,Ltd. Xi'an 710065 China

3. Shenyang Aircraft Design and Rearch Institute Shenyang 110034 China

收稿日期: 2017-09-5   网络出版日期: 2018-07-25

Received: 2017-09-5   Online: 2018-07-25

作者简介 About authors

雷涛, 男 1974年生,副教授,研究方向为电力电子先进技术、电能质量控制技术、航空电气工程及测控技术。

李龙春 男 1988年生,硕士,工程师,研究方向为电气工程。

摘要

基于双有源桥DC-DC变换器,以双移相控制原理为基础,分析负载瞬变时引起变压器交流部分出现直流偏置的原因,在不增加隔直电容等额外硬件条件下,提出基于不对称外移相下的双移相数字控制策略,使用基于预测电流控制的单PI闭环控制系统,不仅满足了控制要求,还解决了多PI控制环路控制参数整定困难等难题。数字仿真和样机实验结果表明,本文直流偏置的抑制均取得了很好的效果,为单相电压源型双有源桥DC-DC变换器实现航空电气系统储能系统最优控制提供了很好的理论及实验依据。

关键词： 双有源桥DC-DC ; 直流偏置 ; 不对称移相控制 ; 预测电流控制

Abstract

Based on the principle of dual phase shift control, the DC bias appearing in high frequency transformer’s ac current caused by the load transient is analyzed in dual active bridge converter(DAB). Without any extra hardware, such as block DC capacitor, the dual phase shifting digital control strategy based on the asymmetric phase is put forward. By using a single PI closed loop control system based on predictive current control, the control requirements for suppression of DC bias current not only can be met, but also many difficult problems such as PI control loop control parameters setting can be solved. The results of simulation and experiment show a good perform on the suppression of DC bias, and this methods further provide a good theoretical and experimental basis for the single-phase voltage source type dual active bridge DC-DC converter to realize the optimal control for storage energy system.

Keywords： Dual active bridge DC-DC ; DC bias current ; asymmetric phase shift control ; predictive current control

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本文引用格式

雷涛, 李龙春, 邬岑颖, 张晓斌. 双有源桥DC-DC暂态直流偏置分析和抑制策略研究. 电气工程学报[J], 2018, 13(7): 8-15 doi:10.11985/2018.07.002

Lei Tao. Study of Transient DC Bias Analysis and Suppression Methods in Dual Active Bridge Converter. Journal of Electrical Engineering[J], 2018, 13(7): 8-15 doi:10.11985/2018.07.002

1 引言

双有源桥（Dual Active Bridge,DAB）DC-DC变换器作为双向DC-DC变换器中的一种典型拓扑结构[1,2],如图1所示。它的特点十分显著：高功率密度、电气隔离、开关应力小、固有软开关属性和能量双向流动等,随着多电飞机电气系统越来越多地采用高压直流供电体制和储能装置的广泛应用,其必然成为现代飞机电力系统的发展重点。因此研究双有源桥DC-DC变换器及控制策略很有工程意义。

目前关于双有源桥DC-DC变换器的研究主要集中在移相控制方法、调制策略、ZVS/ZCS软开关实现条件优化、状态空间建模方法等方面[3-10,12-17]。在移相控制方面,传统的单移相、双移相、三移相控制、移相+PWM调制控制（三角波调制/梯形调制技术）等无法彻底解决直流偏磁问题。高频变压器一、二次电感电流信号的直流分量就是电流信号在一个开关管开关周期内的平均值,对于直流分量的抑制,分为软件抑制法和硬件抑制法,与其产生原因有关[4,5,6,7,8,9,10,11,12]。实际运行中,元器件参数差异或电路布局不对称,一次侧两组桥臂各功率管在导通时压降不一致、关断时间不一致,触发脉冲波形不对称等多种因素均会带来瞬态直流偏置[13],使得双有源桥DC-DC高频变压器电流波形不对称,引起变压器铁心工作时磁化曲线不再关于原点对称,由于磁化曲线是非线性的,当偏磁严重时,铁心必将进入单方向深度饱和,造成单向磁化电流剧增,增大损耗,严重时甚至对开关管造成损害,严重影响双向变换器的工作可靠性,这在航空电气系统的要求中是无法接受的,另外飞机供电特性GJB181B对交流系统直流分量定义为±0.1V[18],这是400Hz下的规定,在变频系统条件下（360~800Hz）,直流分量要求需要更加严格,因此在DAB变换器下前后桥臂开关管高频工作时（20kHz）,直流分量的抑制就更加严格。

文献[13]中采用暂态移相控制策略对负载瞬变时的暂态过程进行研究分析,通过对直流分量电流表达式的推导,建立了移向角与直流分量大小的递推关系,通过对移向角进行补偿实现了对直流分量的抑制。但是这种方法计算较为复杂,对DAB变换器的实时控制难以实现。文献[15]采用了虚拟直接功率控制方法,在变换器前馈环节进行控制,实现了DAB变换器动态响应速度的改善,但是没有分析瞬态直流分量的控制策略。文献[16]采用统一边界梯形调制策略,针对DAB变换器,应用固定占空比补偿和磁化电流控制手段,实现环流损耗及负功率最小化,实现变换器在轻载下的软开关工作,该论文没有分析抑制电流直流偏置的机理及方法。文献[17]通过对DAB变换器在三移相调制策略下的能量流动关系进行分析,建立了移向角变量与电流有效值和回流功率的关系,推导了优化方程,实现了有效值最小化的控制策略,进一步降低了变换器器件的开关应力和损耗,但也没有分析如何抑制直流分量的方法。本文在文献[13]的基础上进行深入研究,在传统的双重移相控制下,通过对负载变化时的暂态过程分析,推导了能量流动关系公式,基于不对称外移相下的双移相数字控制策略,提出了基于预测控制的直流偏置抑制策略,并进行了理论分析,讨论了DAB变换器电感电流瞬态直流偏置出现及其抑制机理,以数字仿真并结合样机实验验证了所提出方法的有效性和正确性。

图1

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图1   单相电压源性双有源桥DC-DC 变换器

Fig.1   The single-phase voltage source type dual active bridge DC-DC converter


2 DAB变换器暂态直流分量机理分析

假设电路完全对称,负载功率稳定时,在双移相角控制下,一个周期内高频变压器的伏秒积为零。基于这个前提,变压器电流不存在直流偏置。如图2所示,显示的分别是DAB变换器的高频变压器一次电压Vh1,二次电压Vh2,以及变压器电感电流iL在稳态运行时的基本工作波形。

图2

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图2   双有源桥DC-DC 无直流偏置时的稳态基本波形

Fig.2   The steady-state fundamental waveform of the dual active bridge DC-DC without DC offset


但是在变换器实际运行中这个前提不一定满足,特别是在负载瞬态变化过程中,这时电感电流正向峰值为I+Max和电流负向峰值I-Max,I+Max = I-Max,此时电路中不存在直流偏置;当负载突然增加时,如图3负载功率突变时,变压器电流统一开始向上偏移,此时I′+Max ≠ I′-Max,出现直流偏置。如果功率变换器为kW或MW级功率时,更大的较长时间的直流偏置会造成变压器和其他器件（如开关部件）的损耗剧增,甚至危及器件的安全,造成DAB变换器可靠性下降,无法满足在航空电气系统条件下高功率密度、高可靠性的要求。

在本文中,以正向工作模式（降压模式）输出功率瞬态增加为例,详细分析瞬态直流偏磁的产生和抑制措施,由于控制中一般内移向角固定,只考虑外移相角的影响,其中fs = 1/(2Ts)是开关频率,k = nV1/V2是输入和输出电压调节比。

如图3所示,在t0时刻前,电路稳定运行,电流波形对称,当t0时刻瞬态功率突然增加时,假如功率突变前,外移相占空比为D2,功率变动后外移相占空比变为D2′,即0≤D2<D2′,则由于移相角的增加,电流波形正峰值增大,这一周期乃至后面几个周期一直出现正直流偏置。

图3

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图3   功率瞬变前后基本波形

Fig.3   The basic waveform before and after power transient


各个时刻电流值如下：

故可以推出电流的直流偏置

由此可以看出传统的双移相控制在负载变动时,由于外移相角发生变化,D2′和D2不相等,电感电流产生直流分量,且在系统稳定前,由于D2′和D2一直不等,会造成连续的直流偏置。

在双有源桥DC-DC电路中,大信号等效电路如图4所示,包含等效电感和电阻,等效电路输出、入端电压分别等效为开关周期变化的矩形方波,由于耦合电感L和线圈内阻R的存在,直流分量将会随指数衰减[13],此时瞬态电流直流分量可以表示为

式中,时间常数τ = L/R;Idc为出现瞬态直流分量的最大值。由于电感线圈本身内阻R很小,故出现瞬态直流分量以后,该直流分量一直存在。当电路功率很大,出现的直流分量也比较大时,可能对功率管、变压器等电路元器件造成损坏。

图4

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图4   双有源桥大信号等效电路

Fig.4   The large signal equivalent circuit of the dual active bridge


3 直流分量控制策略研究

双移相控制策略从理论上没法快速抑制该瞬态直流分量,本质上使用对称的外移相占空比控制。即高压侧H桥桥臂和低压侧H桥桥臂对应全控功率管相位存在相同的移相占空比D2′,在上下桥臂互补导通的情况下,前后H桥同桥臂全控功率管驱动信号均为50%占空比方波。对称外移相作用下的移相控制的原理简图如图5所示。

图5

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图5   对称外移相控制策略

Fig.5   The symmetrical phase shift control strategy


本文采取不对称双移相控制策略,减少甚至消除负载变动过程中的直流偏置,如图6所示。原理为高压侧H桥桥臂和低压侧H桥桥臂对应全控功率管相位存在不相同的移相占空比D2′和D2″,高压侧管子驱动信号均为50%占空比方波,在上下桥臂互补导通的情况下,低压侧H桥桥臂全控功率管驱动信号变为不是50%占空比方波。

图6

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图6   不对称外移相控制策略

Fig.6   The asymmetric phase-shifting control strategy


在不对称双移相控制策略下,可以根据负载突变情况,将原来的对称外移相角D2,变为正负不对称的S1和Q1、Q4之间的外移相角D2′,S2和Q2、Q3之间的外移相角变为D2″。

从图7对称外移相和不对称外移相下电路输出波形可以看出,如果按传统的对称双移相控制策略,使得一个周期内,后桥对应功率管和前桥对应管子的外移相角相同,当由D2→D2′,流过变压器的电流iL波形如曲线（红色）部分,出现明显的正直流偏置。使用不对称外移相将D2′→D2″,电流iL波形如曲线（蓝色）部分,明显在后半周期增加了负直流偏置,降低了整周期的正直流偏置。

以下对正向工作模式（降压模式）,进行详细分析。一个周期内,各个时刻t0~t6的电流关系表示如下：

工作状态1：

工作状态2：

工作状态3：

工作状态4：

工作状态5：

工作状态6：

6种工作状态模态持续的时间分别为D1Ts,(D2′ - D1)Ts,(1 - D2′)Ts,D1Ts,(D2″ - D1)Ts,(1 - D2″)Ts。由DAB变换器状态空间平均法可以得到,在正负半波占空比不相等时平均电流Idc,即

从该式可以得出一个周期内正负半周外移相角在不同情况下的直流偏置情况,即：

当D2′ = D2″时,该周期本身不产生直流偏置。

当D2′<D2″时,该周期产生正直流偏置。

当D2′>D2″时,该周期产生负直流偏置。

当负载突然变动时,下周期会产生正的直流偏置,为了消除负载瞬变引起的直流偏置,该周期应该增加一个负的直流偏置,使得由负载变动引起的直流偏置和一个周期内外移相角不对称引起的直流偏置抵消。当负半周期外移相占空比D2″大于正半周期外移相D2′时,该周期因为增加不对称外移相占空比D2″,产生一个负的直流偏置,若选择合适的D2″,可以减少甚至消除因为负载瞬变引起的直流偏置,如图7蓝色部分所示。

不对称双移相控制策略,使得后H桥的功率管不是50%占空比。此时,后H桥Q1和Q4导通信号Ts′ = (1 - D2′)Ts + D2″Ts = [1 + (D2″ - D2′)]Ts,后H桥Q2和Q3与Q1和Q4导通信号互补。

本文基于单PI和电流预测控制方法实现直流分量控制目的。如图8所示,该控制结构只需要一个电压PI环,参数易于整定,控制器的输入参数是双有源桥DC-DC变换器的输入电压V1、输出电压V2和电感上的电流为IL,电流每个开关周期采样两次,取得正负电流峰值,以此来在线预测出一周期的外移相角D2和D2′,理论上在一个周期之内,可以使得电流波形对称,来快速抑制电感电流直流分量。

图8

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图8   基于预测控制的单 PI 不对称双移相控制系统

Fig.8   A single PI asymmetric dual phase shift control system based on predictive control


在基于预测控制的单PI不对称双移相控制系统下,根据功率变换器的功率传输特性工作原理,推导预测控制需要的数学表达式,如图9所示。

图9

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图9   基于预测控制的电路波形

Fig.9   The circuit waveform based on predictive control


当第n个开关周期来临时,在t(0)时刻采集的电感电流为I0(n),根据电压环提供的给定参考电流$I_{D_{2}(n)}^{ref}$,预测本周期前半周期的外移相占空比D2(n),由

满足$I_{D_{2}(n)}^{ref}=-I_{D_{2}^{'}(n)}^{ref}$,得到

根据所推导出的式（7）、式（8）可以看出,通过设计基于电流预测控制单PI环路的控制方法可以实现对瞬变直流分量的抑制。

4 数字仿真与硬件实验验证

4.1 数字仿真验证

在理论分析基础上,利用Matlab/Simulink搭建了DAB变换器及控制环路数字仿真模型,仿真结果如图10所示。在对称外移相控制作用下,当负载功率增加时,交流电流正峰值缓慢增加,电流波形向正半周偏置,出现明显的正直流偏置。DAB变换器的功率管开关频率为40kHz,负载由440W突然升至500W,其变压器低压侧直流偏置最大幅值接近4A,且有近3ms的时间段一直出现正向直流偏置。

当使用基于不对称外移相控制策略后,根据图11的仿真结果显示,出现直流偏置累积时间远小于对称外移相控制直流偏置出现时间0.25ms,且直流偏置的幅值减少到2A以内,调节时间是传统对称外移相控制调节时间的1/10,若负载额定功率增大,且电路中变压器绕组等效电阻很小,这种预测控制会起到更好的效果。

图10

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图10   对称外移相控制变压器低压侧电流和其直流分量

Fig.10   The low voltage side current and dc component of transformer based on symmetrical external phase control


图11

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图11   不对称外移相控制下的变压器低压侧电流（及局部放大）和直流分量波形

Fig.11   The low voltage side current and dc component of transformer based on asymmetrical external phase control


4.2 实验验证

为了验证双有源桥DC-DC变换器实际运行中,提出的控制策略对功率传输特性的提升效果,设计并搭建了实验平台,试验样机的功率为500W。下表为试验验证平台下的DAB变换器的相关设计参数。

表   双有源桥DC-DC变换器相关参数

Tab   Dual active bridge DC-DC converter related parameters

参 数额定值参 数额定值
高压侧电压V1 /v270电感L/μH12
低压侧电压V2 /v28负载阻值R/Ω1.568
高压侧电容C1 /μF470输入等效阻值Rs /Ω0.1
低压侧电容C2 /μF1 000开关频率/kHz40
内移相占空比D10.33外移相占空比D20.6

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该DAB变换器硬件实验平台主要包括：DAB变换器主功率电路,为了降低其他干扰去MOSFET驱动信号的影响,功率管的光耦隔离和驱动放大电路设计在变换器主功率板;模拟信号调理板,试验需要测试输入、输出电压和电感电流,通过电压和电流传感器,对功率信号进行调理达到DSP控制器A/D采集输入端需要的电压等级;主功率输入供电电源、高频变压器、电感和负载电阻等主要器件;直流电源、电压隔离探头、电流钳和示波器等测试分析设备。硬件系统的实验平台实物如图12所示。在本研究中采用的控制器平台是DSP28335,可以实现预测电流控制,根据算法实现对开关管的时序逻辑控制。

图12

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图12   DAB 变换器硬件试验平台图

Fig.12   The hardware test diagram of the DAB converter


在负载瞬变时,基于对称外移相的双移相控制策略会使得电感电流（变压器二次电流）出现直流偏置,其大小约为3.9A。然而本论文提出的基于不对称外移相的双移相控制,可以减少直流偏置,并减少直流偏置的时间。如图13所示,在负载电流由额定17.8A变为16.1A时,电感电流在基于对称外移相控制下需要大概8ms才能进入对称状态,而如图14所示,在不对称外移相控制下,仅有1ms,直流分量大小仅为1.5A左右,可以看出所提出的控制策略可以有效降低直流分量。

图13

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图13   负载突加时对称外移相控制下电感电流波形

Fig.13   The inductance current waveform under the control of symmetrical external phase shift with sudden loading


图14

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图14   负载突加时不对称外移相控制下电感电流波形

Fig.14   The inductance current waveform under the control of asymmetrical external phase shift with sudden loading


观察图15和图16所示的开关管相关波形,当电流逐渐由负过零后,高压侧桥臂功率管S1实现了零电压导通（ZVS）功能,低压侧桥臂开关管也类似,这使得DAB变换器可以工作在较高的效率下。

图15

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图15   高压侧S1 驱动波形和VDS 波形

Fig.15   The waveform of S1 drive and VDS in the high pressure side


图16

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图16   低压侧Q1 驱动波形和VDS 波形

Fig.16   The waveform of Q1 drive and VDS in the low pressure side


5 结论

本文分析了双有源桥（DAB）变换器的电感电流直流分量的发生机理,提出基于不对称外移相下的双移相数字控制策略,使用基于预测控制的单PI闭环控制系统实现瞬态直流分量的抑制。论文采用数字仿真和实验验证方式,在航空电气系统实验背景下证明了所提出方法的正确性和有效性。从实验结果可以看出,文中直流偏置的抑制均取得了很好的效果,不但满足了控制要求,还解决了多PI控制环路控制参数整定困难等难题。论文所提出的方法为双有源桥DC-DC变换器实现最优性能控制提供了很好的理论及实验依据,也为DAB变换器在航空电气系统中的应用提供了研究基础。

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