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摘 要：本文分析了双向全桥DC-DC变换器在双变换控制下的输电特性。在变压器匝数比不为1的情况下，建立变流器的通用低频小信号模型。仿真结果表明，双相控制具有较小的功率损耗。最后建立了实验样机，实验结果证实了该控制方法的高效性和可行性，拓宽了变压比的选择范围，具有一定的工程应用价值。
关键词：全桥DC-DC变换器；高效能；控制研究；双向
双向全桥DC-DC转换器可以实现DC-DC转换器的二象限运行。因此，它在功能上等同于两个单向DC-DC转换器，因此可以降低系统的体积，质量和成本。目前，双向全桥DC-DC变换器主要采用相移控制方式。相移控制包括传统的相移控制和双相移控制。
采用传统移相控制方式的双全桥直流 - 直流变换器，所有带软开关的功率开关管都具有这种特点，然而，在传统相移控制方式下，功率变换器的循环和开关管电流应力较大，不利于转换器效率。因此，提出了一种双相移控制方法，理论和实验验证了该控制方法能够减小循环电力变压器的功率和开关管电流应力，提高了变换器效率。建立转换器的小信号等效模型。然而，小信号模型是在输出电压等于输入电压和变压比为1的前提下建立的。因此，本文将在转换器控制下进行动态建模的一般情况下为双相移，以提高转换器模型的通用性，适应更多的应用具有一定的工程应用价值。
1双重移相控制工作原理
图1是双向全桥DC-DC转换器的典型电路拓扑结构。在图中：U1和U2是全桥转换器的两个直流侧电压；Ls与串联电感和变压器泄漏相结合。变压器比率是n；S1?S4是H桥1的功率开关管和H桥的功率开关管2，C1和C2是输入和输出滤波电容。H桥1和H桥2的工作频率与fs相同；逆变桥H1的输出Uh1和逆变器H2为Uh2；通过控制逆变器的输出电压Uh1和Uh2之间的相位角，可以控制电感Ls的电压，并且可以控制转换器功率的流向和大小。下面的分析以U1到U2侧的功率为例，这是Uh1到Uh2的阶段。
在双重移相控制工作原理波形中。这是半开关周期；D1是开关周期一半内部的位移比，d2是半开关周期中的外部位移比，0≤d1≤d2≤1。
假设转换器工作在稳定状态，转换器的工作模式根据双移相位控制的波形被分成八个状态。
t0～t1 阶段
在t0之前，开关管S2，S3导通，电流为负；在t0时刻开关管S2关断，开关管S1和驱动信号，因为电流仍为负，所以开关管S1不导通，电流通过D1和S3续流，U2侧H桥由D6和D7流流向U2，电源，电流下降。
t1～t1’阶段
时间t1，电感电流仍然为负，开关管S3截止，开关管S4驱动信号，开关管S4不导通，電流通过二极管D4和D1续流，电流逐渐减小直到t1’小时，电感电流为零，开关管S1并开始导通S4。
t1’～t2阶段
t1’时刻，电感电流过零，H桥1开关管S1和S4导通，H桥2开关管S6和S7导通，电感电流为正，并逐渐增大。
t2～t3阶段
t2瞬间，断开开关管S6和S7，开关管S5和S8以及驱动信号，由于电感电流为正，所以开关管S5和S8都没有导通，电感电流通过二极管D5和D8流，电流逐渐增大。
t3～t4阶段
t3时刻，开关管S1断开，开关管S2 加驱动信号。由于此时电感电流为正，所以开关管S2不导通，并且通过二极管D2和S4的续流，电感电流逐渐减小。
t4～t4’阶段
t4时刻，开关管S4断开，开关管S3 加驱动信号。由于此时电感电流为正，所以开关管S3未连接，并且通过二极管D3和D2的连续流动电流逐渐减小。
t4’～t5阶段
t4’瞬间，电感电流零通道，H桥1开关管S2和S3导通，H桥2开关管S5和S8导通，电感电流为负向和反向增加。
t5～t6阶段
t5瞬间，开关管S5和S8断开，开关管S6和S7驱动信号，由于电感电流为负值，所以开关管S6和S7都没有导通，电感电流通过二极管D6和S7流，电流逐渐增大。
当发射功率一定时，由于存在内部移相比d1，回流功率减小或甚至为零。因此，与单相移相控制相比，双移相位控制具有较小的回流功率，这有利于转换器的效率。
2仿真及实验分析
为了验证建模方法和小信号模型的正确性和通用性，建立了转换器仿真系统。在本文中，PI控制器用于控制转换器。具体方法是在优化给定的内部位移比的情况下，通过调整外部位移比的空间比来实现转换器的输出电压的稳定性。
为验证本文所述控制策略的优越性，建立了DC-DC变换器单相移相控制和双相移控制仿真系统。仿真结果表明，两种控制方式都能满足输出要求，即给定功率的输出可以完成。然而，比较结果，不难发现系统输入系统在瞬时功率负值低于瞬时功率负值时输入系统输入，这部分相当于系统提供所需的额外功率。因此，在给定的输出功率下，这会增加对功率容量，磁性元件，功率电子元件等的要求。因此，本文采用的控制策略可以有效地降低额外功率，从而提高转换器的效率，降低电力电子器件的压力。
为了验证上述分析的正确性，设置了实验模型（直流输入电压为50 V；输出电压为9 V；变压器匝数比为3；原始边缘交流电感为0.4 mH；输出负载6Ω），实验结果如图5所示。其中，通道CH1为原边变频器输出电压波形；通道CH2是原始边缘逆变器输出电流；MATH通道是原始边缘逆变器的输出功率。从实验波形可以看出，在相同的发射功率下，本文的控制方式对功率容量要求较低，具有较高的传输效率。
3结语
本文通过对双桥相移控制双向DC-DC转换器工作模式的全桥下组合开关循环平均建模方法的分析，建立了双相移控制下的双向DC-DC全桥变换器的一般小信号线性模型。为了检验和验证模型的正确性，建立了仿真系统和实验样机，并比较了单相移控制，结果表明本文提出的控制策略有效地提高了系统性能。实验结果验证了分析的正确性和可行性，拓宽了变换器的选择范围，具有一定的工程应用价值。
参考文献
[1]许正平，李俊.双向全桥DC-DC变换器高效能控制研究与实现[J].电力系统保护与控制，2016，44（02）：140-146.
[2]程红，王聪，王俊.开关变换器建模?控制及其控制器的数字实现[M].北京：清华大学出版社，2013.
[3]王璐，周海潇，罗建，等.感应电动机电源切换的UPS逆变器控制策略[J].电力系统保护与控制，2014，42（24）：49-55.
[4]彭永龙，黄潇潇，李亚斌.三相BUCK 型SVPWM 整流器LC 振荡阻尼混合控制[J].电力系统保护与控制，2014，42（1）：90-95.
[5]王若醒，吴迎霞，杨恢宏，等.两级式T型三电平光伏逆变器的关键技术研究及实现[J].电力系统保护与控制，2015，43（4）：58-62.
作者简介
阮炎武（1993.06.28）；湖北枝江；武汉东湖学院机电工程学院，电气工程及其自动化；研究方向：双向DC-DC变换器
（作者单位：武汉东湖学院机电工程学院）
关键词：全桥DC-DC变换器；高效能；控制研究；双向
双向全桥DC-DC转换器可以实现DC-DC转换器的二象限运行。因此，它在功能上等同于两个单向DC-DC转换器，因此可以降低系统的体积，质量和成本。目前，双向全桥DC-DC变换器主要采用相移控制方式。相移控制包括传统的相移控制和双相移控制。
采用传统移相控制方式的双全桥直流 - 直流变换器，所有带软开关的功率开关管都具有这种特点，然而，在传统相移控制方式下，功率变换器的循环和开关管电流应力较大，不利于转换器效率。因此，提出了一种双相移控制方法，理论和实验验证了该控制方法能够减小循环电力变压器的功率和开关管电流应力，提高了变换器效率。建立转换器的小信号等效模型。然而，小信号模型是在输出电压等于输入电压和变压比为1的前提下建立的。因此，本文将在转换器控制下进行动态建模的一般情况下为双相移，以提高转换器模型的通用性，适应更多的应用具有一定的工程应用价值。
1双重移相控制工作原理
图1是双向全桥DC-DC转换器的典型电路拓扑结构。在图中：U1和U2是全桥转换器的两个直流侧电压；Ls与串联电感和变压器泄漏相结合。变压器比率是n；S1?S4是H桥1的功率开关管和H桥的功率开关管2，C1和C2是输入和输出滤波电容。H桥1和H桥2的工作频率与fs相同；逆变桥H1的输出Uh1和逆变器H2为Uh2；通过控制逆变器的输出电压Uh1和Uh2之间的相位角，可以控制电感Ls的电压，并且可以控制转换器功率的流向和大小。下面的分析以U1到U2侧的功率为例，这是Uh1到Uh2的阶段。
在双重移相控制工作原理波形中。这是半开关周期；D1是开关周期一半内部的位移比，d2是半开关周期中的外部位移比，0≤d1≤d2≤1。
假设转换器工作在稳定状态，转换器的工作模式根据双移相位控制的波形被分成八个状态。
t0～t1 阶段
在t0之前，开关管S2，S3导通，电流为负；在t0时刻开关管S2关断，开关管S1和驱动信号，因为电流仍为负，所以开关管S1不导通，电流通过D1和S3续流，U2侧H桥由D6和D7流流向U2，电源，电流下降。
t1～t1’阶段
时间t1，电感电流仍然为负，开关管S3截止，开关管S4驱动信号，开关管S4不导通，電流通过二极管D4和D1续流，电流逐渐减小直到t1’小时，电感电流为零，开关管S1并开始导通S4。
t1’～t2阶段
t1’时刻，电感电流过零，H桥1开关管S1和S4导通，H桥2开关管S6和S7导通，电感电流为正，并逐渐增大。
t2～t3阶段
t2瞬间，断开开关管S6和S7，开关管S5和S8以及驱动信号，由于电感电流为正，所以开关管S5和S8都没有导通，电感电流通过二极管D5和D8流，电流逐渐增大。
t3～t4阶段
t3时刻，开关管S1断开，开关管S2 加驱动信号。由于此时电感电流为正，所以开关管S2不导通，并且通过二极管D2和S4的续流，电感电流逐渐减小。
t4～t4’阶段
t4时刻，开关管S4断开，开关管S3 加驱动信号。由于此时电感电流为正，所以开关管S3未连接，并且通过二极管D3和D2的连续流动电流逐渐减小。
t4’～t5阶段
t4’瞬间，电感电流零通道，H桥1开关管S2和S3导通，H桥2开关管S5和S8导通，电感电流为负向和反向增加。
t5～t6阶段
t5瞬间，开关管S5和S8断开，开关管S6和S7驱动信号，由于电感电流为负值，所以开关管S6和S7都没有导通，电感电流通过二极管D6和S7流，电流逐渐增大。
当发射功率一定时，由于存在内部移相比d1，回流功率减小或甚至为零。因此，与单相移相控制相比，双移相位控制具有较小的回流功率，这有利于转换器的效率。
2仿真及实验分析
为了验证建模方法和小信号模型的正确性和通用性，建立了转换器仿真系统。在本文中，PI控制器用于控制转换器。具体方法是在优化给定的内部位移比的情况下，通过调整外部位移比的空间比来实现转换器的输出电压的稳定性。
为验证本文所述控制策略的优越性，建立了DC-DC变换器单相移相控制和双相移控制仿真系统。仿真结果表明，两种控制方式都能满足输出要求，即给定功率的输出可以完成。然而，比较结果，不难发现系统输入系统在瞬时功率负值低于瞬时功率负值时输入系统输入，这部分相当于系统提供所需的额外功率。因此，在给定的输出功率下，这会增加对功率容量，磁性元件，功率电子元件等的要求。因此，本文采用的控制策略可以有效地降低额外功率，从而提高转换器的效率，降低电力电子器件的压力。
为了验证上述分析的正确性，设置了实验模型（直流输入电压为50 V；输出电压为9 V；变压器匝数比为3；原始边缘交流电感为0.4 mH；输出负载6Ω），实验结果如图5所示。其中，通道CH1为原边变频器输出电压波形；通道CH2是原始边缘逆变器输出电流；MATH通道是原始边缘逆变器的输出功率。从实验波形可以看出，在相同的发射功率下，本文的控制方式对功率容量要求较低，具有较高的传输效率。
3结语
本文通过对双桥相移控制双向DC-DC转换器工作模式的全桥下组合开关循环平均建模方法的分析，建立了双相移控制下的双向DC-DC全桥变换器的一般小信号线性模型。为了检验和验证模型的正确性，建立了仿真系统和实验样机，并比较了单相移控制，结果表明本文提出的控制策略有效地提高了系统性能。实验结果验证了分析的正确性和可行性，拓宽了变换器的选择范围，具有一定的工程应用价值。
参考文献
[1]许正平，李俊.双向全桥DC-DC变换器高效能控制研究与实现[J].电力系统保护与控制，2016，44（02）：140-146.
[2]程红，王聪，王俊.开关变换器建模?控制及其控制器的数字实现[M].北京：清华大学出版社，2013.
[3]王璐，周海潇，罗建，等.感应电动机电源切换的UPS逆变器控制策略[J].电力系统保护与控制，2014，42（24）：49-55.
[4]彭永龙，黄潇潇，李亚斌.三相BUCK 型SVPWM 整流器LC 振荡阻尼混合控制[J].电力系统保护与控制，2014，42（1）：90-95.
[5]王若醒，吴迎霞，杨恢宏，等.两级式T型三电平光伏逆变器的关键技术研究及实现[J].电力系统保护与控制，2015，43（4）：58-62.
作者简介
阮炎武（1993.06.28）；湖北枝江；武汉东湖学院机电工程学院，电气工程及其自动化；研究方向：双向DC-DC变换器
（作者单位：武汉东湖学院机电工程学院）