双有源桥直流变换器的优化调制策略研究

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双有源桥(dual-active-bridge,DAB)DC-DC变换器由于具有输入输出电气隔离、功率密度高、能量双向流动、易实现软开关等优点,在储能、电动汽车等需要功率双向传输的场合得到了广泛的应用。变换器的效率优化作为近年来的研究热点,得到了广泛讨论。由于近年来电力电子装置向着小型化高功率密度的方向发展,开关频率不断提高,开关损耗在总损耗中的占比也逐渐增大,因此在全功率范围实现全部开关器件的ZVS(ALL-ZVS)对于DAB变换器传输效率的提升具有重要意义。在考虑开关器件结电容后,变换器在部分功率区间无法实现ALL-ZVS,导致开关损耗增大,传输效率降低。针对以上问题,本文在三重移相控制的基础上提出了一种软开关优化调制策略,进一步提升了变换器在该功率区间实现ZVS的开关器件数量,从而有效提高了系统效率。本文工作具体安排如下:首先本文以DAB变换器为研究对象,详细分析了变换器在TPS调制下的工作原理和ZVS特性,划分了工作模式,建立了传输功率和电流应力的数学模型。在此基础上,本文针对已有TPS优化策略在无法实现ALL-ZVS的功率区间开关损耗较大的问题,通过对比变换器在不同ZVS约束条件下的开关特性,推导最优ZVS约束条件下的解析表达式,提出了一种改进的软开关优化调制策略,得到了DAB变换器在降压和升压两种工况下的闭环全局最优解。并和现有文献进行比较,结果表明:采用该调制策略,可将变换器在无法实现ALL-ZVS功率区间的ZVS器件数量由原先的2或4个提升至6个,有效减小了开关损耗,从而显著提升了变换器在高开关频率下的传输效率和运行稳定性。最后在实验室搭建了一台开关频率为100k Hz的DAB变换器实验样机,对本文所提优化调制策略进行了实验验证,实验结果证明了本文所提策略的正确性和有效性。
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