学术简报｜基于模型前馈的双有源全桥DC-DC变换器电流应力优化方法
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西南交通大学电气工程学院的研究人员安峰、杨柯欣、王嵩、罗书聪、冯晓云，在2019年第14期《电工技术学报》上撰文，为了减小双有源全桥DC-DC变换器的电流应力，提高变换器的效率，同时显著增强变换器的动态性能，本文在双重相移控制的基础上提出一种基于模型前馈的电流应力优化方法。
该方法通过建立变换器输出电压的离散模型并引入前馈控制，同时结合电流应力优化计算，可以实现变换器效率优化并显著地提高其对于负载突变和输入电压突变的响应能力。同时，该方法可以有效地改善变换器的起动特性，使得输出电压在无明显超调的情况下直接达到给定电压值。
最后，搭建了以TMS320F28335为核心控制器的基于SiC MOSFET的双有源全桥DC-DC变换器小功率实验样机，以传统的单重相移电压闭环控制方法和双重相移电流应力优化控制为参考，对所提出的基于模型前馈的电流应力优化方法进行对比实验，实验结果验证了所提控制方法的正确性与有效性。
20世纪90年代，Doncker等提出了双有源全桥（Dual Active Bridge, DAB）DC-DC变换器，由于其具有电气隔离、功率密度高、能量可以双向流动及容易实现软开关等诸多优点而被广泛应用于电动汽车、不间断电源和储能等技术领域。
通常，双有源全桥DC-DC变换器有两种控制方式：
①脉宽调制控制，即通过全桥逆变电路将输入直流电压逆变成交流电压，经高频隔离变压器后，再由全桥整流将交流电变成直流电。该方法虽然简单且易于实现，但由于全桥逆变所输出的交流电压有效值只能低于直流输入电压，因此其调压范围有限。
②移相控制，即通过控制两个H桥的驱动脉冲，使其在变压器的一次侧与二次侧生成具有一定相移的方波电压或三电平波电压，通过调节两者之间的相移量来控制变换器传输功率的大小和方向。在该方法下，变换器的系统惯性小、动态响应快且易于实现软开关。
然而，在传统的单重相移控制（Single Phase-Shift, SPS）中，由于控制量仅为两个方波电压之间的相移量，而变换器主要通过变压器的漏感或辅助电感来传递能量，因此当输入电压与输出电压不匹配时，变换器的电感电流应力会急剧增加，进一步地将会导致效率降低，电压/电流变化率增大甚至功率器件的损坏。
为了解决这一问题，各种各样的优化相移调制方法被相继提出，包括双重相移控制（Dual Phase-Shift, DPS）、扩展相移控制以及三重相移控制。其中，三重相移控制包含三个独立的可控相移量，因此其所能实现的优化范围最广。
但在三重相移控制下，变换器的功率模型过于复杂，使得其在实际应用中难以推广。
文献[10]基于扩展相移控制提出了一种电流应力优化算法以减小电流应力，提高变换器的效率。然而该方法无法在全功率范围内实现优化控制，尤其是在变换器轻载时的控制效果较差。
此外，文献[11]基于双重相移控制提出了一种全功率范围内的效率优化方法。该方法虽然可以在全功率范围内提高变换器的效率，但计算过程过于复杂，难以通过数字控制器实现在线优化，只能通过存储离线开关表的方式来实现。
进一步地，文献[12]基于双重相移控制提出了一种电流应力在线优化方法以实现变换器电流应力和效率的在线优化与连续控制。
然而，上述文献所述的优化控制方法仅仅将控制目标集中于提高变换器的效率，而变换器功率控制只是通过传统的PI控制器来实现，这无疑使得变换器的动态特性较差。
在双有源全桥DC-DC变换器的实际应用中，变换器的动态响应十分重要，尤其是在输入电压或负载存在扰动的情况下。
文献[14-15]通过建立双有源全桥DC-DC变换器的状态空间平均模型和小信号模型，初步研究了变换器的动态特性。为了提高变换器的动态性能，文献[16]通过建立变换器的线性谐波模型，提出一种前馈补偿控制方法以提高变换器对于负载突变的响应能力。然而，变换器谐波模型的建立过程较为复杂，使得该方法的可移植性较差。
同时，文献[17]提出了一种电感电流边界控制方法以提高变换器对于负载和参考电压突变时的响应能力。但该方法在执行过程中不仅需要进行复杂的计算，同时还需多达5个霍尔传感器，大大增加了系统硬件成本。
此外，文献[18]基于变换器的功率模型提出了一种负载电流前馈控制方法。该方法不仅控制结构简单，且能够有效地提高变换器对于负载突变时的响应能力，但该方法对于输入电压突变时的响应能力有待提升。
进一步地，文献[19]基于单重相移控制提出了一种虚拟直接功率控制方法。该方法可以同时提高变换器对于负载突变及输入电压突变时的响应能力，但该方法所采用的单重相移控制使得变换器在电压转换比较大时效率较低。因此该方法与其他优化相移调制方法相结合的控制效果还有待讨论和验证。
为了同时提高双有源全桥DC-DC变换器的效率和动态特性，本文在双重相移的基础上提出一种基于模型前馈的电流应力优化方法。
首先，分析了变换器在双重相移控制下的功率特性；在此基础上，结合拉格朗日函数与变换器的功率模型，求解出使变换器的电流应力最小的优化相移量组合。其次，通过建立变换器在不同工作条件下输出电压的离散模型并引入前馈控制，得到使变换器输出电压达到给定值的优化外相移量以提高变换器的动态响应能力。最后，以单重相移电压闭环控制方法和双重相移电流应力优化控制为参考，对所提出的基于模型前馈电流应力优化方法进行对比实验。
图7 基于SiC MOSFET的双有源全桥DC-DC变换器小型实验样机
本文针对双有源全桥DC-DC变换器，在双重相移控制的基础上提出了一种基于模型前馈的电流应力优化方法以同时提高变换器的效率和动态性能。
相比于现有的双重相移电流应力优化方法，该方法不仅可以有效地减小变换器的电流应力，提高变换器的效率，同时可以显著提高变换器对于负载突变以及输入电压突变时的响应能力。当输入电压或负载突变时，输出电压基本保持不变，其动态响应时间几乎为零。
此外，该方法可以改善变换器的启动特性，使得变换器在没有超调的情况下快速达到参考电压。