双有源全桥双向 DC-DC变换器及其控制策略

肖鹏宇

中国电子科技集团公司第二十八研究所 江苏省南京市 210000

摘要：随着社会进步以及科技不断发展，DC-DC变换器逐渐发展，其中双有源全桥DC-DC变换器以其优良的性能得到广大学者的青睐。双有源全桥双向DC-DC变换器的应用范围越来越广泛，且为适应不同应用场景的要求，对控制策略的要求也越来越高。近年来双有源全桥双向DC-DC变换器的控制策略日趋成熟，本文将对双有源全桥双向DC-DC变换器的具体应用场合及其控制策略作简要的介绍，并简单比较各种控制策略的优劣势。

关键词：DC-DC 变换器、移相控制、电动汽车、新能源

DC-DC变换器在电源变换器领域占有重要的地位，随着社会进步科技发展，人们对于DC-DC变换器的要求越来越高。相比于其他的DC-DC变换器，双有源全桥双向DC-DC变换器能很容易的实现电能的双向流动，能满足输入输出之间的隔离要求，同时具有很高的对称性；在传输功率较高的情况下，电压电流应力相比而言也较低，并且能较容易地实现电压电流软开关。面临现有工程问题，双有源全桥DC-DC变换器以其优良的性能被广泛应用在中高功率的场景下，双有源全桥双向DC-DC变换器逐渐成为DC-DC变换器的一个研究热门。

1. 双有源全桥双向DC-DC变换器的应用场景

（1）新能源发电

近年来，化石能源被逐渐消耗，现有的化石能源存量日趋紧张；同时化石能源产生的污染严重，极大的影响环境，如何改变现有的化石能源占重要地位的能源结构成为亟待解决的现实问题。在研究过程中，学者们提出了使用风能、太阳能、地热能、潮汐能等替代现有的化石能源，这些能源的利用往往采用分布式发电，并且通常将其通过直流微网导入电网。在分布式发电与直流微电网的能量传输过程中，双有源全桥DC-DC变换器起到了重要作用。

（2）电力电子变换器

电力电子变换器是双有源全桥双向DC-DC变换器的另外重要一个使用场景。电力电子变换器可以实现交流电压的改变，同时还能兼具变频的作用，通常可分为三级，分别为DC_AC输出单元、DC-DC中间单元、AC-DC输入单元，其中的DC_DC中间单元通常采用双有源全桥双向DC-DC变换器。

（3）电动汽车

双有源全桥双向DC-DC变换器还常常被使用在电动汽车的电能转换上，在电动汽车的典型结构中，通常会有两个直流电源，一个为主电池，用于电能的存储与车辆正常行驶过程中高压用电器的供电；除此之外电动汽车还含有一个12V低压电池，用于满足车辆内部一些电压用电器的使用需要。电能存储在主电池中，当电能从主电池传输到低压电池时，通常使用的电能变换手段为双有源全桥双向DC-DC变换器。

2. 双有源全桥双向DC-DC变换器的常见控制策略

双有源全桥双向DC-DC变换器的典型拓扑如图1所示， 为输入电压源， 为输出电压源， 、 、 、 组成原边全桥， 、 、 、 组成副边全桥。可以看出双有源全桥双向DC-DC变换器含有八个开关管，且有较高的对称性，因此针对双有源全桥双向DC-DC变换器，学者们提出了很多种的控制策略。

图1 双有源全桥双向DC-DC变换器典型拓扑

目前较为常见的两种控制方法为定宽调制和移相调制。定宽调制保持脉宽不变，改变脉冲频率来实现对应控制目的，该方法虽然原理简单，并且能通过定宽调频的方式实现全负载范围内的ZVS，但是在实际计算与操作过程中计算较为复杂，变频操作实现方法复杂，因此并不受广大学者青睐。

移相控制为双有源全桥双向DC-DC变换器目前最常用的调整策略。按照移相角数目多寡，可分为单移相控制策略、双移相控制策略、三移相控制策略。移相控制策略最早由De Donker教授提出，De Donker提出时采用的为单移相控制策略，其主要控制思想为利用原边全桥与副边全桥之间的电压相位差来改变传输功率以实现控制目的。采用单移相控制时，相位超前的全桥向相位滞后侧全桥传输功率。单移相控制策略的优点在于控制简便易行，且能量正向流动与反向流动具有很强的对称性，缺点则是在输入侧输出侧电压变比与变压器变比不匹配时，系统很难满足软开关条件，并且同时效率较低。

学者们优化了单移相控制策略并提出了双移相控制策略。双移相控制策略，相比于单移相控制策略，在原边全桥、副边全桥引入了大小相同的移相角，因此系统具有更高的自由度。另外，与双移相控制策略相似的，有学者提出了扩展控制策略，该策略在高压一侧引入了移相角，而低压侧不引入移相角，因此升压情况与降压情况引入移相角的全桥不一致。其他控制策略也可以与单移相控制策略混合使用，为双有源全桥双向DC-DC变换的控制提供了一条新思路。近年国内学者在研究中尝试将三角波调制、梯形波调制与单移相控制策略相融合，但在工程应用中发现该方法控制复杂，并且与单移相控制策略相比较提升并不显著，因此实际应用意义不大。

三移相控制策略则是移相控制策略的又一次飞跃，不仅是两个全桥都引入了移相角，两桥之间也存在着内移相角。相比而言，三移相控制策略自由度最高，其他所有的移相控制策略都是三移相控制策略在特定情况下的特例。三移相控制策略可以按照需求的不同完成不同的优化目标，目前常见的优化目标包含电压电流软开关、电流应力最小、回流功率最小等等，且优化效果优于其他移相控制策略，但缺点在于计算与控制较为复杂。

参考文献

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