学术简报｜三电平双有源全桥DC-DC变换器回流功率最小的移相控制
华中科技大学电气与电子工程学院强电磁工程与新技术国家重点实验室的研究人员金莉、刘邦银等，在2018年第24期《电工技术学报》上撰文指出，三电平双有源全桥（3L-DAB）DC-DC变换器在DAB拓扑中引入三电平桥臂，额外增加了一个控制自由度，增强了变换器调节的灵活性。采用传统移相控制时，3L-DAB会产生较大的回流功率，导致系统损耗增加，效率降低。
针对这个问题，提出一种回流功率最小的移相控制策略。首先通过实时检测输入输出电压和电流，建立移相控制下3L-DAB的传输功率和回流功率的数学模型，推导出最小回流功率与移相角比例、电压比之间的关系。
在此基础上，根据传输功率与电压比的范围变化，采用分段优化算法求解最小回流功率及其对应的最优移相角，根据最优移相角来进行移相控制的方法，称之为优化移相控制策略。将提出的优化移相控制与传统的移相控制对比分析，发现前者在宽电压比范围具有更小的回流功率和电流应力，从而提高系统效率。最后，通过实验验证分析的正确性和所提控制策略的有效性。
双有源全桥（Dual Active Bridge, DAB）DC-DC变换器具有高功率密度、能实现功率的双向传输、易于实现软开关和模块化等优点，被广泛应用于储能系统、电动汽车等双向隔离变换领域。
单移相控制因控制简单、易于实现，被广泛应用于DAB中，但当变压器的一次侧和二次侧桥臂电压不匹配时，DAB变换器回流功率和电流应力显著增加，产生较大的功率损耗，降低了系统效率。
现有文献中提出了多种通过增加控制自由度来克服单移相控制缺点的优化控制策略，以改善DAB的性能。扩展移相、双重移相、三重移相等控制策略均通过引入额外的移相角来减小回流功率、减小电流应力，但是文献[5]中的移相角并未实现优化。
文献[9-12]提出的改进调制策略和混合调制策略也能提高DAB变换器的性能，但是这些优化调制策略的实现相对复杂。文献[13]分析了DAB变换器在双重移相控制下的功率传输特性。文献[14]提出的基于双重移相的优化控制策略，减小了变换器的回流功率、峰值电流，并扩展了零电压软开关（Zero Voltage Switching, ZVS）工作范围。遗憾的是，文中并未提出一种实际可行的控制策略使DAB变换器在全功率范围内均能工作于最优状态。
文献[15]提出了一种基于双重移相的电流应力最小的开关策略，通过实时检测电压和电流计算最优工作点，在全功率范围内实现电流应力最优，尤其在大电压比和轻载情况下，电流应力和系统效率得到很大改善。Nie Hou等在文献[16]中提出了基于通用移相控制策略的最优电流控制，且该优化控制策略不受谐振电感参数和负载电流的影响。该通用控制策略可等效为单移相、扩展移相等传统移相控制。
有关电流应力优化控制的文献均指出，所提移相控制策略能够减小电流应力和回流功率，但在某些工况下减小电流应力的同时回流功率反而增加，最优工作点时的电流应力和回流功率之间的具体关系还未有文献分析。
文献[17]对比分析了特定工作模式下扩展移相和单移相控制时系统的回流功率，并得出扩展移相控制下的回流功率更小。文献[18-20]提出了基于回流功率最小的优化控制策略，分析前提是保证输入端和输出端电压完全匹配，因此对其他工况和功率等级不具有普适性。
文献[21]提出一种以回流功率最小为目标的双重移相优化控制策略，根据传输功率及输入输出电压调节比所处的不同范围，采用分段优化方法，得出各范围内的最优内移相比，但所有分析假设内移相角小于外移相角，不够全面。
另一种增加控制自由度的方法是在DAB变换器中引入多电平结构。多电平变换器中的开关器件电压应力较低，在器件选型时可以选择低耐压的开关器件来降低硬件成本和开通关断损耗。文献[22-24]在DAB拓扑中引入了三电平桥臂，并简单分析了单移相控制下变换器的功率传输特性。
文献[25]介绍了一种中点钳位型三电平DAB变换器，并提出了一种新型调制策略实现电容电压均衡，变换器的拓扑和工作模式均为三电平。Jin Li等在文献[26]中分析了三电平双有源全桥（Three-Level-DAB, 3L-DAB）变换器移相控制时的软开关范围与传输功率、电压比之间的关系。但关于3L-DAB的传输特性、回流功率特性等还未有详细分析。
针对三电平DAB DC-DC变换器，为了减少系统的回流功率，提高变换器的性能，本文提出一种基于回流功率最小的移相控制策略。首先分析移相控制下3L-DAB的功率传输特性，在此基础上，建立回流功率的数学模型，推导出最小回流功率与移相角、电压比之间的关系，并给出最优控制实现方案；之后分析了最优工作点系统的变换器特性，并与传统移相（Carrier Phase Shift, CPS）控制作对比；最后，通过实验验证理论分析的正确性。
图9 3L-DAB变换器的系统控制框图
针对3L-DAB DC-DC变换器，本文提出了一种回流功率最小的移相控制策略。理论分析和实验结果表明：
1）3L-DAB将三电平桥臂引入到DAB拓扑中，在不增加控制复杂度的基础上，增加了额外的控制自由度，增强了系统的控制灵活性。
2）所提控制策略下，3L-DAB系统在各种工况下均具有最小的回流功率。
3）所提控制策略在变换器轻载、电压比较小时更有效，优越性更加明显。当变压器两端电压越不匹配时，所提控制策略可以在全负载范围内实现回流功率和电流应力的优化，降低系统损耗，提高系统效率。
4）所提控制策略在宽电压比范围内较传统移相控制具有更高的系统效率。