5.2 双有源桥式变换器拓扑及工作原理在线视频

大家好

这一节我们将深入学习

双有源桥变换器的拓扑及其工作原理

非谐振型拓扑如下图所示

它是有两个全桥逆变电路

一个高频变压器及辅助电感构成

原副边均为四个IGBT开关管

反并联二极管构成的全桥电路

反并联二极管为电流提供续流通路

是IGBT开通时可以实现软开关

减小开关的开关损耗

两侧H桥对称的结构

降低了控制的复杂度

易于实现模块化

且功率双向传输特性一致

辅助电感与变压器漏感

共同构成了工作电感

高频变压器取代了传统变压器当中的

传统的工频变压器

大大降低了变压器尺寸

提高了变换器的功率密度

DAB拓扑的特点可以概括为

对称的全桥逆变电路

通过电感实现功率传输

高频变压器实现变压器及电气隔离

谐振型DAB变换器

串联谐振型变换器在高频变压器环节

加入谐振电路如下图所示

其中谐振电容和辅助电感

构成了LC型谐振回路

通过改变DAB的主板特性

改善开关管的软开关特性

从而可以提升系统运行性能

在传统控制下串联谐振变换器结构不对称

功率反向传输时

电压增益受限

并且增加电容元件

可以改变了电路拓扑的结构

增大了体积

设备故障率及制造成本

并且它的电压调节范围变窄

不够灵活

因而谐振型DAB电路的特点可以概括为

高频环节为谐振电路

原副边结构不对称

高频变压器实现变压变比电气隔离的功能

接下来

我们对非谐振型DAB

拓扑及工作原理进行分析

如下图所示

为DAB等效电路

其中VAB为原边侧H桥逆变方波电压

VCD为归算至原边侧的

副边侧H桥逆变方波电压

电流L二为变压器漏感

与辅助电感串联后得到的等效电感

通过控制IGBT开关管的导通顺序及时间

即可控制逆变方波电压的脉冲宽度和相位

当电感L两侧逆变器电压

VAB、VCD相位不等时

即可通过电感L实现功率的传输

因此

通过调解原副边H桥输出电压的相位差

即可控制DAB传输功率

与传统同步发电机并网时

采用功角差控制输出功率相类似

当VAB超前于VCD时

功率由原边侧向副边侧传输

反之

当VAB滞后于VCD时

功率由副边侧向原边侧传输

由于DAB拓扑结构高度对称

所以它的正反向功率传输

特性原理相同

基于控制

高频变压器原副边电压相位差

来调节传输功率这一工作原理

DAB通常采用的调制方法称为移相调制

也称为移相控制

移相控制下

原边H桥开关管工作频率相等

导通占空比均为零点五

H桥同一桥臂上下开关管

驱动信号互补导通

高频变压器原副边H桥对应的电压

存在移相角

我们称为外移相角

同时

同一桥臂内对应开关管存在移相角

我们称为内移相角

等效来看

内相角改变的是高频变压器对应方波电压

的有效值

外相角改变的是

高频变压器原副边方波电压的相位差

因此通过调节驱动信号

他的移相角可以控制

H桥逆变电压的占空比即相位

从而控制传输功率

根据移相角DAB的控制方式

可以分为以下几种类型

当控制仅有外移相角时为单重移相控制

在单重移相控制的基础之上

增加一次侧桥内移相角

控制变为双重移相控制

控制自由度为2

在双重移相控制的基础之上

加入二次侧H桥內移相角

控制变为三重移相控制

控制更加灵活

如果两个内移相角相等

控制被称为同步三相控制

此时控制的自由度同样为2

如果两个內移相角不相等

控制被称为异步三重移相控制

异步三重移相控制三个控制量均不相等

相对来说

控制复杂应用较少

并且他的优化算法比较复杂

首先

我们介绍单移相控制的方法和原理

单移相控制是最基础的控制方法

内移相角为0

仅有一个外移相角d

通过对第一批进入稳态后相关模态进行分析

可以得到DAB传输功率的表达式

如下所示

从中我们可以看出传输功率P

与输入输出电压

变压器变比、等效电感

开关管开关频率及移相角等因素有关

其中变压器变比等效电感

开关频率均为电路属性

输入输出电压与系统运行状态有关

因此

一般通过控制移相角来调节传输功率

以最大传输功率为基准

可以得到标幺化的表达式

并根据该表达式来绘制传输功率P

随外移相角D变化曲线

如下图所示

可以看出

传输功率P与移相角d成二次函数关系

即对于任意传输功率

存在两个关于零点五对称的一项叫

考虑到电感电流峰值与d呈正相关

因此一般取移相角

占空比在零到零点五区间范围内

单移相控制实现简单

但并未充分利用可控自由度

导致功率特性及电流应力特性较差

因此

在单移相控制基础上

使用高压侧H桥内对角开关管

加入内移相角d1

即变为双向控制

如下图所示

双重移相控制下

一次侧逆变电压VAB由两电平变为三电平

二次侧逆变电压VCD仍为两电平

电感电流分段数增多

采用同样的模态分析方法

可以得到相应的标幺化传输

功率的表达式如下所示

从以上式子当中

我们可以看出引入移相角d1后

传输功率

同时受外移相角d和内移相角d1控制

比较不同

控制的传输功率曲线可以看出

双重移相控制下DAB传输功率范围不变

同时

针对任意给定功率

存在多组移相角组合与之对应

引入內移相角

增加了控制的自由度

使功率调节更加灵活

理论上可以抑制无功功率

降低电流应力

改善DAB的稳态特性

双移相控制下

副边侧电压VCD仍为两电平方波

对于DAB稳态特性改善效果不佳

同步三重移相控制

在副本H桥内加入移相角

同时使两侧

H桥内移相角相等

控制自由度与双重移相控制相同

但优化效果更好

它的控制方法如下图所示

VAB、VCD都由两电平方波电压

变为三电平方波

电感电流的波形更加平滑

传输功率仍受外移相角d

和内移相角d1控制

其外移相角d起主要作用

内移相角d1使传输功率更加灵活

传输功率标幺化表达式如下所示

从上式可知

同步三移相控制

一次侧全桥内移相角d1

二次侧全桥内移相角为d2

并且d1等于d2

外移相角d决定传输功率大小

输出功率与移相角的关系如下图所示

不同的移相控制对应传输功率的范围相同

但功率调节的灵活程度不同

随着控制变量的不断增加

移相控制法

对DAB稳态特性的改善效果更明显

根据分析

DAB在单移相、双移相

和同步三移相控制下

传输功率特性不同

如下图所示为不同的控制下

DAB传输功率的特性曲线

可以看出

不同的控制方式下

DAB最大输出功率相等

即多移相控制的方法不会限制

或者是改变DAB的传输功率能力

但是单项控制相对简单

控制自由度低

功率特性曲线为一条抛物线

传输功率与移相角一一对应

因此无法对稳态特性进行优化

双移相控制增加了

一次侧全桥内移相角

提高了控制自由度

功率特性曲线转为曲面

功率调节更加灵活

一定程度改善了稳态特性

同步三移相控制

增加二次侧全桥内移相角

控制自由度未改变

针对特定功率的移相角组合变多

可以同时改变变压器两侧的功率特性

以上内容就是我们对

双有源桥式变换器工作原理的相关介绍