Analysis of Light Load Efficiency Characteristics of a Dual Active Bridge Converter Using Wide Band-Gap Devices

In this paper, the zero voltage switching (ZVS) region of a dual active bridge (DAB) converter with wide band-gap (WBG) power semiconductor device is analyzed. The ZVS region of a DAB converter varies depending on output power and voltage ratio. The DAB converters operate with hard switching at light loads, it is difficult to achieve high efficiency. Fortunately, WBG power semiconductor devices have excellent hard switching characteristics and can increase efficiency compared to silicon (Si) devices. In particular, WBG devices can achieve ZVS at low load currents due to their low parasitic output capacitance (Co,tr) characteristics. Therefore, in this paper, the ZVS operating resion is analyzed based on the characteristics of Si, silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN). Power semiconductor devices. WBG devices with low Co,tr operate at ZVS at lower load currents compared to Si devices. To verify this, experiments are conducted and the results are analyzed using a 3 kW DAB converter. For Si devices, ZVS is achieved above 1.4 kW. For WBG devices, ZVS is achieved at 700 W. Due to the ZVS conditions depending on the switching device, the DAB converter using Si devices achieves a power conversion efficiency of 91% at 1.1 kW output. On the other hand, in the case of WBG devices, power conversion efficiency of more than 98% is achieved under 11 kW conditions. In conclusion, it is confirmed that the WBG device operates in ZVS at a lower load compared to the Si device, which is advantageous in increasing light load efficiency.

Fuzzy Logic Controlled Dual Active Bridge Series Resonant Converter for DC Smart Grid Application

Over the last few years, smart grids have become a topic of intensive research, development and deployment across the world. This is due to the fact that, through the smart grid, stable and reliable power systems can be achieved. This paper presents a fuzzy logic control for dual active bridge series resonant converters for DC smart grid application. The DC smart grid consists of wind turbine and photovoltaic generators, controllable and DC loads, and power converters. The proposed control method has been applied to the controllable load＇s and the grid side＇s dual active bridge series resonant converters for attaining control of the power system. It has been used for management of controllable load＇s state of charge, DC feeder＇s voltage stability during the loads and power variations from wind energy and photovoltaic generation and power flow management between the grid side and the DC smart grid. The effectiveness of the proposed DC smart grid operation has been verified by simulation results obtained by using MATLAB and PLECS cards.

基于“仿真—半实物仿真—实物”三阶段开发流程的DAB变换器实验探索与研究

该文以双有源桥DC-DC变换器为对象,详细分析了变换器在三重移相调制下的两种数学模型,又基于这两种数学模型提出了对应的电感电流优化控制策略,搭建了包含MATLAB/Simulink仿真平台、StarSim半实物仿真平台和实物平台的三阶段实验平台,在平台中通过实验验证了优化控制策略的可行性和有效性。所设计的三阶段开发流程能够加深学生对电力电子领域相关知识的理解,逐步提升学生的理论分析能力、仿真验证能力和实践操作能力。

DAB储能变换器双闭环模型预测控制与PI补偿控制策略研究

针对直流微电网中分布式电源输入输出功率不稳定造成的直流母线电压波动问题,鉴于双有源桥(DAB)储能变换器具有能量双向流动的特点,提出一种基于内模原理的双闭环模型预测控制策略。在分析DAB变换器扩展移相调制原理与特性基础上,重点研究电压外环和电流内环的模型预测控制策略。针对模型预测控制性能依赖电路参数准确度问题,分别从电路主要参数失配对功率传输和直流母线稳压的影响两个角度出发,深入分析模型参数敏感度。最终设置直流母线电压稳态误差灵敏度区,在误差灵敏度区外仅采用双闭环模型预测控制以保证系统的动态响应性能,在误差灵敏度区内采用双闭环模型预测控制和PI补偿控制以消除系统稳态误差。搭建实验平台进行实验验证,结果表明:在系统受到扰动时,DAB储能变换器可实现快速地充放电对系统进行补偿,混合控制策略可快速保持母线电压的稳定,实现系统功率均衡,增强系统抗扰能力。

三重移相控制的DAB变换器多目标统一优化控制策略

针对双有源桥变换器存在电流应力大、全部开关管软开关实现困难以及动态响应慢的问题,提出1种基于三重移相控制的多目标统一优化控制策略。分析三重移相控制正向功率流的全局模式,选出其中3种高效率模式并建立电流应力和软开关解析模型。结合模型,采用成本函数优化方程推导不同模式下的最优移相比组合和最小电流应力,使开关管运行在零电压开关功率约束范围内。同时在效率优化过程中引入虚拟功率分量,构建小信号模型并阐明不同状态变量的小扰动对输出电压的影响较小。实验结果表明,所提控制策略可以在全功率范围内降低双有源桥变换器的电流应力且使所有开关管实现零电压开通,同时还能够提高输出电压的动态性能。

DAB变换器双重移相改进控制策略研究

为了优化双有源桥(DAB)变换器的电流应力,基于传统双重移相(DPS)调制方式,提出一种改进的双重移相(IDPS)调制方式。首先介绍了IDPS调制方式的工作原理,分析了其稳态下的工作特性,建立了电流应力关于传输功率的数学模型,接着采用拉格朗日乘子法求得了IDPS调制方式的电流应力最优值,并与传统的单重移相(SPS)和DPS调制方式对比分析。最后搭建实验平台验证了所提改进控制策略优化电流应力的有效性,同时提高了变换器的效率。

基于多目标优化的高频DAB变换器混合多重移相控制策略

随着双有源全桥(dual active bridge,DAB)变换器开关频率的提升,半导体器件的开关损耗占比越来越大,基于回流功率、电感电流峰值或有效值的单目标效率优化策略的优势逐渐丧失。为提升DAB变换器的高频工况运行效率,文中对DAB最优模态与优化目标进行定量分析与选择,提出一种可同时实现电感电流有效值准最优、宽范围软开通的移相策略,在该策略下轻重载工况所有开关管均可实现软开通,中载仅有两个开关管丢失软开通。为保证软开通的有效实现,根据电荷交换和死区时长两个条件推导实现软开通所需电流的统一表达式。再者,将软开通谐振过程线性化处理,所得简化表达式可与本文移相模态相结合,可实现任意开关管在任意模态下的软开通。最后,搭建6.6 k W/150 k Hz的碳化硅实验平台进行验证。实验结果表明,所研究的多目标优化策略可同时减小开通损耗与导通损耗,有效提升DAB变换器在高频工况下的运行效率。

基于励磁电流补偿与混合移相调制的高频DAB变换器全范围ZVS运行策略

随着宽禁带功率半导体器件的广泛使用,更高开关频率的双有源桥(dual active bridge,DAB)变换器带来了更大的开关损耗,对于软开关技术提出更高要求。为了进一步拓展零电压开通(zero-voltage switching,ZVS)范围,文中对ZVS精确模型和传统电感电流全局最优条件方法进行分析,提出一种结合励磁电流运行的移相调制策略,该策略可实现DAB变换器全功率范围内所有开关管的ZVS运行(8-ZVS运行)。在考虑开关管非线性特性和死区时间限制基础上得到更精确的ZVS模型,并推导引入励磁电流的ZVS模型。此外,所提出的控制方案具有无缝模式转换的特点,电感电流的有效值也可以达到准最佳状态。最后,搭建6kW/150kHz的高频DAB变换器样机以验证模型有效性。实验结果表明,该控制算法可以在任意模式和工况下实现8-ZVS运行,从而提升系统在轻载和中载工况下运行效率。

基于三重移相的ISOP型DAB变换器电压均衡控制

为了使得输入串联输出并联(ISOP)型双有源桥DC-DC(DAB)变换器稳定高效地运行,提出一种基于三重移相(TPS)调制的电压均衡控制方案。该方案不仅可以控制输出电压稳定、输入电压均分,而且能够降低变换器电流应力并具有良好动态性能。首先,分析了DAB变换器在TPS下各模态的电流应力与传输功率模型,并通过KKT条件法求得电流应力最优的移相比组合。在此基础上,通过控制中间变量-动态功率,实现系统的输出稳压、输入均压,同时具有良好动态性能。最后,通过MATLAB/SIMULINK软件平台验证所提方案的正确性。

基于频域分析的DAB变换器优化控制策略

为提高双有源桥(DAB)变换器的工作效率,简化DAB变换器的分析过程,此处在频域分析下采用矢量分析方法,提出了一种最小均方根电流的控制策略。相比于时域分析下通过详细的模式分析过程以及复杂的数学优化工具得出的优化控制策略,频域分析方法无需求解开关周期中各时段的状态方程,通过矢量图直观地推导出以电流有效值为优化目标的控制策略。在约束范围内,该策略可以有效降低电流有效值,提高传输效率。最后,通过搭建实验平台,验证了所提优化控制策略的有效性。

基于动态矩阵控制的DAB变换器电流应力与回流功率优化方法

针对双重移相控制的双有源桥(DAB)变换器存在的电流应力和回流功率问题,建立了电流应力和回流功率的权重优化函数,其设计原则为保证电流应力抑制效果并同时减小回流功率。分析了权重因子的优化选取过程,从而获取2种工作模式下DAB变换器的内、外移相比。为了改善DAB变换器输出电压的动态响应性能,提高负载适应性和鲁棒性,提出了基于动态矩阵控制的电压预测控制方法。最后,结合StarSim实时仿真机和DSP芯片搭建了DAB变换器的半实物实验平台,实验结果验证了所提控制策略在提高DAB变换器电压动态响应性能、抑制电流应力和减小回流功率方面的有效性和正确性。

抑制DAB变换器回流功率的双重移相调制策略

双有源桥(Dual Active Bridge,DAB)变换器在传统双重移相(Dual Phase Shift,DPS)调制下,变压器两侧电压不匹配时,中小功率区域内回流功率较大。针对以上问题,提出一种抑制回流功率的双重移相(Dual Phase Shift for Reactive Power Suppression,DPS-RPS)调制策略。首先对DPS-RPS调制的工作原理进行分析并建立数学模型,基于该模型对电流应力进行优化。然后在电流应力最小化条件下分别对DPS调制和DPS-RPS调制的回流功率及电流应力大小进行对比。结果表明,相比较于DPS调制,DPS-RPS调制在中小功率区域内减小了回流功率的同时降低了电流应力。最后通过实验验证了所提DPS-RPS调制的可行性及有效性。

全工况范围的DAB三自由度优化控制策略

为获取双有源桥(dual-active-bridge,DAB)直流变换器全工况范围内的统一优化控制,该文充分利用DAB控制自由度,实现一种基于电流应力最小的三移相(three-phaseshift,TPS)优化控制策略。分析原副边电压不匹配时的开关模式,推导潜在最优开关模式下的关键电气参数及其局部最优解,获取具有统一形式的全局优化策略。为实现电压匹配点附近的模式间平滑过渡,提出一种滞环模式切换方法。实验结果表明,相比常规单移相和双移相控制,所得出的TPS策略具有优化结果计算量小、表达统一连续的特点,能有效减小电流应力、提高变换效率,具有较好的工程可适用性。

DAB变换器移相优化控制策略研究

拉格朗日极值法是求取变量受一个或多个条件限制的多元函数极值的方法,在此以该方法为基础,改进得到了双有源桥(DAB)变换器优化控制策略。相比常用的解析法,避免了求解外移相比和内移相比及电压调节比方程式的过程,同时也避开了较为复杂的闭环系统设计。通过舍掉函数对拉格朗日乘子偏导数为零的条件,得到几个平面相交的交点即为连续的最优轨迹,从而得到最优移相角。最后搭建了实验样机,将最优解组合下的电感电流应力与非最优组合的应力进行对比,实验结果与理论分析一致,从而证明了所提方法的有效性与可行性。

结合电流应力优化的ISOP-DAB变换器电压均衡控制

当输入串联输出并联(ISOP)型双有源桥(DAB)DC-DC变换器系统各模块参数不同时,系统存在传输功率不均衡导致的过电压过电流现象,严重时可能损坏器件,此外变换器运行时还需考虑其电流应力与动态性能。针对这些问题,基于双重移相提出一种结合电流应力优化的电压均衡控制方案。分析双重移相下变换器的电流应力与传输功率模型,并通过KKT(Karush-Kuhn-Tucker)条件法求取电流应力最优的移相比公式。在电流应力优化的基础上提出一种电压均衡控制方法,通过传输功率模型推导桥间移相比表达式,引入均压分量和动态传输功率,实现输入电压均衡、输出电压稳定以及提高动态性能。最后,搭建双模块ISOP-DAB实验平台进行对比实验,验证所提控制方法的有效性。

基于DAB变换器的舰船中压直流混合储能系统端电压限制

为解决脉冲负载投切对舰船中压直流(medium voltage direct current,MVDC)电力系统的冲击,引入基于双有源桥(dual active bridge,DAB)变换器的锂电池-超级电容混合储能系统。鉴于传统功率分配策略无法实现对超级电容端电压的主动限制的缺点,引入混合储能系统功率比的概念,建立锂电池功率传输与超级电容功率传输之间的联系;结合DAB变换器电压变比匹配度,提出一种新型动态补偿功率分配策略;采用直接功率控制在MATLAB/Simulink中进行仿真。结果表明,这种策略能有效平复脉冲负载投切对直流母线的冲击,实现闭环功率分配,对超级电容端电压进行主动限制,从而新型动态补偿功率分配策略的有效性得到验证。

独立输入并联输出模块化DAB变换器功率均衡优化控制

针对独立输入并联输出IIOP(input independent output parallel)模块化双有源桥DAB(dual active bridge)变换器,当各模块的参数不匹配或输入电压不相等时的功率均衡问题,基于双重移相DPS(dual phase shift)控制,提出了一种功率补偿均衡控制PCEC(power compensation equalization control)算法以提高变换器的动态性能及其效率,并实现模块化DAB变换器的传输功率均衡。此外,考虑到大传输功率情况下,为实现各模块的充分运用,补充提出了一种功率补偿协同控制PCCC(power compensation cooperative control)算法。最后,基于DSP28335的半实物仿真平台对所提出的功率均衡方案进行对比实验验证。

基于DAB的ISOP型蓄电池测试电源控制策略

针对传统测试电源多采用单向能耗式结构,存在充放电测试速度慢、能耗高的问题,提出以双有源桥(DAB)作为基本模块的输入串联、输出并联(ISOP)型直流变换器构成测试电源,并在充电的不同阶段提出ISOP-DAB变换器的恒流控制和下垂限压控制策略;提出的基于DAB的ISOP型蓄电池测试电源可以提高充放电速度、降低能耗,同时避免采用工频变压器造成的测试装置体积大、质量大的问题。研究测试电源中ISOP-DAB变换器的工作原理和建模方法,得到ISOP-DAB变换器的小信号电路应用等效模型。对比ISOP-DAB变换器的输入均压控制策略,选择模块化控制方法进一步研究,实现多模块的输入均压和输出均流的同时兼顾实现分段充电方式。最后,通过仿真实验验证了所提方法的有效性。

基于非对称占空比调制的DAB变换器优化策略

针对双有源桥(DAB)变换器在轻载及电压不匹配时损耗大、效率低的问题,此处提出了一种基于单侧非对称占空比调制(SSADM)的电感电流峰峰值优化策略,降低了损耗并且提升了变换器的效率。首先,分析了SSADM的工作原理及两种工作模态;然后,基于时域模型,推导了两种工作模态下的传输功率特性;接着,以电感电流峰峰值为优化目标,以传输功率为约束条件,得到了最优占空比及移相角;最后,基于StarSim硬件在环平台验证了所提优化算法的有效性。

四自由度调制下DAB变换器的自抗扰控制

采用变频加三移相(TPS)的四自由度调制可以提高双有源桥(DAB)变换器工作效率。为改善四自由度调制下DAB变换器动态响应性能,提出了一种基于虚拟功率控制的自抗扰控制(ADRC)策略,建立了从虚拟功率到系统输出电压的数学模型,设计了一种四自由度调制下DAB变换器ADRC结构,并搭建了实验样机进行验证。