Modeling and Current Programmed Control of a Bidirectional Full Bridge DC-DC Converter

Modelling of bidirectional full bridge DC-DC converter as one of the most applicable converters has received significant attention. Mathematical modelling reduces the simulation time in comparison with detailed circuit response;moreover it is convenient for controller design purpose. Due to simple and effective methodology, average state space is the most common method among the modelling methods. In this paper a bidirectional full bridge converter is modelled by average state space and for each mode of operations a controller is designed. Attained mathematical model results are in a close agreement with detailed circuit simulation.

基于移相控制统一模型的双有源桥DC-DC变换器基波环流优化控制策略

为充分利用双有源桥DC-DC变换器的容量,减小无功功率,提升工作效率,提出一种基于变换器移相控制统一模型的基波环流优化控制策略。通过引入基波移相比对变换器的所有移相控制方式进行统一描述,并采用傅里叶分解法建立全桥交流电压及电感电流的统一模型。该统一模型降低了多控制变量下变换器多模态分析的复杂性,适用于不同移相控制的所有工作模式,具有普适性。基于频域分析法和功率因数角,构建变换器传输功率及无功功率的统一数学模型。在此基础上,提出考虑无功基波分量的环流优化控制策略,并对传导损耗进行建模与分析。该策略简单有效,能够很好地减小变换器无功功率和改善系统效率,更有利于工程实际的应用。搭建了实验平台,对比了所提基波环流优化控制策略与传统移相控制方式下变换器的功率因数及变换效率,仿真和实验结果验证了理论分析的正确性和所提控制策略的可行性。

A Flux DC Bias Suppression Scheme of Single-stage Full-bridge PFC Converters Based on Dead Zone Adjustment

由于单级桥式功率因数校正（power factor correction,PFC）AC/DC变换技术电路的特点,导致高频变压器存在偏磁现象,影响了系统正常工作。传统方式通过增加变压器气隙或使用隔直电容来防止变压器出现偏磁,但是该类方案影响了系统性能,并增加了电路的复杂程度。结合有源钳位单级PFC变换器工作特点,提出一种基于死区调节的偏磁抑制策略,通过改变系统的开关时序,能够有效抑制偏磁,具有不增加主电路复杂程度、不影响系统性能、数字控制和模拟控制都能够实现等优点。在提出抑制策略的基础上,设计实现电路,给出死区设计方法及影响规律,最后进行实验研究。理论分析及实验结果表明,该策略能够在不影响系统性能的基础上,有效抑制单级桥式PFC变换器的高频变压器偏磁。

电机控制器直流侧前置双有源桥DC-DC变换器的模型预测与应力优化混合控制

将双有源桥DC-DC变换器置于电动汽车动力电池与电机逆变器之间,可以根据电机实时转速动态调节系统直流母线电压,提升电机驱动系统的能量变换效率。然而,直流母线电压的大范围变化会带来双有源桥DC-DC变换器电流应力剧增的挑战。为此,该文分析直流母线电压动态变化条件下双有源桥DC-DC变换器的电流应力变化规律及优化方法,在此基础上提出一种模型预测与应力优化混合控制策略,将电流应力优化控制嵌入到模型预测控制中,在降低电流应力的同时还能提高系统的稳态和动态性能。另外,为了抑制模型参数失配对模型预测控制的不利影响,提出一种基于输出反馈的误差校正方法,以提高模型预测控制的参数鲁棒性。原型样机实验结果验证了所提控制策略的正确性和有效性,为直流侧前置双有源桥DC-DC变换器的电机控制器设计与控制提供了理论依据。

基于双重移相控制的双向全桥DC-DC变换器最小回流功率分段优化控制

双向全桥DC-DC变换器以其重量轻、高功率密度、能量双向流动等优点成为直流微电网中不可或缺的一部分。但双向全桥DC-DC变换器在传统的单重移相控制下存在回流功率和电流应力等问题,尤其当输入电压和输出电压不匹配时,回流功率和电流应力会显著增加。针对输入电压和输出电压不匹配的情况,该文提出了一种双向全桥DC-DC变换器在双重移相下的最小回流功率控制策略。该控制策略通过对回流功率进行分段优化,得到了变换器在不同传输功率范围下的最优移相角。通过将所提控制策略和传统的双重移相控制进行对比分析,发现该文所提控制策略具有更小的回流功率和电流应力,提升了变换器的效率。最后基于所提控制策略搭建了实验样机,实验结果验证了控制策略的正确性和有效性。

一种多模式宽输出三桥臂DC-DC变换器

针对传统LLC谐振变换器重载工作时电压增益低,难以实现宽范围输出,同时低增益工作时开关频率高,开关管损耗大、电路效率低的问题,结合全桥LLC拓扑结构和线性-谐振(L-R)调制方法,提出一种多模式宽输出三桥臂DC-DC变换器。所提变换器在全桥LLC变换器的基础上增加一组L桥臂,通过将谐振电感复用为储能电感,在谐振传递能量前对谐振腔预先储能,从而提高传统谐振模式的电压增益。所提变换器采用脉冲宽度调制-脉冲频率调制(PWM-PFM)策略,具有高、中和低3种电压增益模式,拓宽了输出电压范围,且具有在全负载范围内软开关、环流小的优点。详细介绍了3种模式下变换器的工作原理,利用时域法推出增益公式,并对器件参数和闭环控制方法进行设计,最后通过搭建一台输入400 V,输出125~500 V的实验样机验证了理论的可行性。

三电平双有源混合全桥DC-DC变换器最小回流功率控制

三电平双有源混合全桥(H-TLFB)DC-DC变换器通过引入三电平桥臂提高输入电压范围.针对该变换器在传统双重移相控制下具有较大的功率回流、较高的电流应力等问题,提出一种最小回流功率控制策略.首先分析H-TLFB DC-DC变换器功率传输特性,比较变换器在两种不同工作模式下回流功率值的大小,并根据回流功率与电压比、移相比、传输功率的数学关系,计算出回流功率达到最小时对应的最优移相比,并设计相应优化控制策略.与传统双重移相控制策略相比,最小回流功率控制策略下的回流功率可以在全功率传输范围内达到最小值,并且在一定的电压比范围内,回流功率、电流应力可以同时得到优化.最后,通过实验验证设计控制策略的正确性和可行性.

基于功率补偿的DC-DC变换器电流应力控制方法

针对双有源桥DC-DC(dual active bridge,DAB)变换器中存在较大的电流应力现象,提出一种基于功率补偿的电流应力改进控制方法。通过建立DAB的电流应力、传输功率与相移量之间的函数关系,利用拉格朗日乘数法建立电流应力的优化数学模型,从而推导出最优占空比组合,降低电流应力至最小值。通过引入一个虚拟分量对传输功率进行实时补偿控制,以满足系统在输入、输出突变情况下的快速响应能力,提高DAB的动态特性。最后,通过搭建Matlab/Simulink仿真模型进行验证,通过仿真结果表明:基于功率补偿的电流应力优化控制方法的动态响应特性和ZVS特性明显优于传统控制方法,且在减小电流应力的同时也降低了回流功率,进一步验证了优化控制方法的正确性和优越性。

基于ZVS的双向全桥DC-DC变换器最小回流功率双重移相分段控制

双向全桥DC-DC(DAB)变换器在直流微电网作为可再生能源与储能设备的能量传输环节,通过实现零电压开关(ZVS)和最小回流功率,可显著地提升DAB变换器的性能,从而提高直流微电网的稳定性。但同时实现ZVS和最小回流功率控制在理论上是相互制约的。针对这一问题,该文提出一种基于ZVS的最小回流功率双重移相分段控制策略。通过对双重移相下的传输功率进行分段,前段将ZVS作为约束条件,得到基于ZVS条件下的最小回流功率控制策略,后段通过KKT条件法实现在给定传输功率下的最小回流功率控制策略。通过将所提控制策略和传统的双重移相控制对比分析,发现所提控制策略具有更小的回流功率和电流应力,提高了变换器的性能。最后,基于所提控制策略搭建实验样机,验证了控制策略的正确性和有效性。

双重移相控制下的双向全桥DC-DC变换器最小电流应力分段优化控制

为了减小双向全桥(dual-active-bridge,DAB)DC-DC变换器的电流应力,提升变换器的效率,提出了一种DAB变换器在双重移相控制下的电流应力分段优化控制策略。该策略首先分析了DAB变换器的结构及其功率特性,推导得到了电流应力与传输功率、移相角之间的关系。然后针对输入输出电压不匹配的情况,对DAB变换器的电流应力进行了分段优化,通过将传输功率分段得到了DAB变换器在不同传输功率范围下的最优移相角。将所提控制策略与传统双重移相控制策略对比分析,发现所提控制策略具有更小的电流应力和回流功率,减少了变换器的导通损耗,提升了变换器的效率。当负载发生突变时,DAB变换器的动态性能得到了大幅提升。最后基于所提控制策略搭建了实验样机,实验结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。

双有源桥DC-DC变换器回流功率优化策略研究

针对双有源桥DC-DC变换器在功率传输过程中回流功率过大的问题,基于双重移相控制,提出一种分段优化控制策略对回流功率进行优化。通过定义功率分段点,对输出功率进行分段。当输出功率低于功率分段点时,电路实现零回流功率运行;当输出功率高于功率分段点时,电路实现最小回流功率运行。最后,搭建了1台250 W的实验样机。实验结果表明,与传统移相控制方式相比,分段优化控制策略能有效减少双有源桥DC-DC变换器的回流功率,提高电路工作效率。

交错并联LLC谐振的双向AC-DC变换器

针对当前平衡供电供需与解决再生能源间歇特性的问题,设计了一种以优化PWM调制策略控制图腾柱无桥PFC和交错并联双向LLC谐振电路的两级式双向AC-DC变换器。前级运用了优化PWM调制的控制策略,增强网侧电流对电网电压的跟踪能力,后级采用同步整流管驱动控制的交错并联LLC谐振变换器的方案,设计了变换器和环路补偿的参数,通过搭建实验仿真系统验证设计的可行性。结果表明,实现正向工作输入交流电220±10%V,输出直流电12 V,额定功率1 800 W;反向工作输入直流电12 V,输出交流电220 V,验证所设计的合理性与可行性。

双有源桥DC-DC变换器线性自抗扰控制

针对双有源桥DC-DC变换器单重移相控制电流应力大,采用传统PI控制动态特性差等问题,为同时优化变换器电流应力和动态特性,在扩展移相控制下,提出一种线性自抗扰控制结合直接功率控制的电流应力优化方案。通过建立扩展移相各个状态下的数学模型,推导出电流应力的全局最优解,将线性自抗扰控制器引入电压环,与直接功率控制相结合,输出传输功率标幺值至电流应力优化算法中,计算对应移相角。仿真和实验结果表明:新优化控制策略能在减小电流应力的同时提高变换器的动态响应能力。

基于改进模糊PI控制的双有源桥DC-DC变换器

在直流微电网中,针对直流负载扰动的过程会造成直流电压动态响应速度缓慢;同时,负荷投切时会引起直流电压超调量大的问题。采用改进模糊PI控制,并将其应用在直流微电网中储能单元的双有源桥DC-DC变换器。首先,在现有模糊PI控制中加入预处理环节,该环节对直流电压的误差大小进行及时判断与跟踪,使直流母线电压迅速达到参考值,提高了直流电压的动态响应速度;其次,分析了现有模糊PI控制算法的规则表对参数调节过程中存在精确度不足的规则,对其进行修改得到改进模糊PI控制的规则表,以减小直流电压的超调量;最后,对所提的改进模糊PI控制进行仿真对比验证。仿真结果表明:对现有的PI控制器和模糊PI控制器而言,改进的模糊PI控制器在稳态响应速度、超调量以及抗干扰性能上得到显著提高,提高了直流母线电压质量。

基于FPGA控制的双有源桥DC-DC变换器仿真实验平台设计

介绍了一种基于FPGA控制的逆变器仿真实验平台设计。该设计运用半实物仿真技术,在FPGA中虚拟出双有源桥DC-DC变换器(DAB)有关的实验平台,由FPGA、DSP和上位机三部分组成。FPGA采用SparkRoad FPGA,用来在内部虚拟出一个DAB变换器电路,接收控制器发来的信号,处理仿真器内部信息,最后将结果上传至上位机系统;DSP采用TMS320F28335,用来产生模拟DAB变换器电路中的IGBT开关信号,并将开关信号以PWM波的方式传给FPGA进行处理;上位机采用的是个人电脑,用来与另外两部分进行串口通信。通过性能测试,该设计达到了预期的功能。

基于双重移相控制的双向全桥DC-DC变换器动态建模与最小回流功率控制

通过分析双重移相控制下双向全桥DC-DC变换器的软开关约束条件及功率传输特性,提出了满足软开关条件的基于最小回流功率的双重移相控制策略,建立了双重移相控制下变换器的动态小信号模型。最后,通过实验样机,分析了基于最小回流功率双重移相控制策略的变换器动态和稳态特性,对动态模型和最小回流功率控制策略进行了验证。实验结果表明了采用基于最小回流功率控制对提高变换器效率的有效性。

基于双重移相控制的双有源桥DC-DC变换器的软开关

通过分析双重移相控制下双有源桥DC-DC变换器的工作模式与各桥臂IGBT实现软开关的约束条件,得出了满足软开关条件的高频变压器漏感参数设计方法与死区时间限制条件;根据变换器稳态运行各阶段电路状态数学模型的分析,实现了通过对电路参数的优化设计降低变换器开关损耗,从而提高双有源桥直流变换器的效率。最后,根据理论推导结果设计变压器漏感并试验,试验结果表明所提出的设计方法对增加软开关实现范围和提高变换器效率的有效性。

双重移相控制与传统移相控制相结合的双有源桥式DC-DC变换器优化控制策略

为减小双有源桥式DC-DC变换器的功率损耗,提出一种双重移相加传统移相控制的优化控制策略,保证漏感电流有效值最小,同时使得所有开关管实现零电压开通(ZVS)软开关。首先分析变换器在传统移相和双重移相下的传输功率特性和软开关范围。在此基础上,通过建立漏感电流有效值、传输功率及软开关条件的数学模型,得出一条最优控制轨迹。该轨迹确保变换器工作于最小电流有效值状态且可以实现ZVS软开关,从而显著减小系统的导通损耗和开关损耗,实现了双有源桥变换器的优化控制。实验结果验证了理论分析的正确性和控制策略的有效性。

隔离式双向全桥DC-DC变换器预充电研究

隔离式双向全桥DC-DC变换器正常运行前,为了防止电流过大冲击和输出侧电容电压振荡过大,需对输出侧稳压电容进行预充电。本文提出了一种不需要外加电路预充电的方法:将输出侧H桥开关闭锁,相当于不控整流桥,调节输入侧H桥开关状态,使得输入侧H桥输出方波占空比D从0逐渐上升到0.5。根据隔离式双向全桥DC-DC变换器的工作特点,证明了预充电过程中输入侧H桥开关为零电流开通。并根据这种预充电方法,提出一种隔离式双向全桥DC-DC变换器自起动的策略。仿真验证了这种预充电方法电适用于单个DC-DC模块和模块级联系统。