文獻筆記16---一種非對稱EPS調制的單級雙向AC-DC變換器

前言

AC-DC是最常用的變換器之一，在電動汽車、充電樁等應用中非常廣泛。目前應用最多的是通過兩級架構實現電能的變換。在中大應用功率常采用Vienna PFC + LLC或Vienna PFC + DAB，小功率應用中采用Bridgeless PFC + LLC或PFC + LLC等。隨著電力電子技術的發展，用戶對電力電子功率模塊的體積、成本和功率密度等有了更高的要求。學者們已在探索采用單級電路架構實現AC-DC變換，查閱相關雙有源橋變換器時，了解到采用單級AC-DC變換器實現AC到DC的變換，該文章中所研究的電路拓撲為單相整流+DAB變換器，在EPS調制的基礎上提出了副邊H橋非對稱調制策略，增加調試變量，使得變換器的優化變得更靈活。根據當下市場的發展，單級AC-DC充電模塊也初步商用。查閱文獻發現該拓撲在充電樁模塊上有較大的應用前景。

1 概述

雙有源橋變換器具有軟開關、能量雙向傳輸和適用寬的電壓范圍等優點，在業界得到了廣泛的應用。通常應用最多的調制方法是單移相，為了克服輸入輸出電壓不匹配時峰值電流大、效率低的缺點，學者們提出了擴展移相、雙重移相，三重移相，非對稱PWM的調制策略來優化DAB在中小功率段的性能，對DAB變換器的傳輸功率發現，隨著負載加重，在任何調制方式下都逐漸接近單移相調制，在單移相調制下，移相角為0.5時，其傳輸的功率達到最大。

隨著技術的發展，為了追求變換器的性能、成本和功率密度等，單級AC-DC雙向變換器成為了學者們研究的一個方向。圖騰柱PFC單級AC-DC變換器，前端為整流器，后端為DAB變換器，采用單級結構實現AC-DC變換器，其拓撲如圖1所示。

對于整流器部分，S1、S2為高頻臂，S5、S6工作在工頻，Lg表示網側電感；DAB部分原邊由4個高頻開關組成，分別為S1～S4，副邊也由4個高頻開關組成，分別為Q1～Q4，Ls為功率傳輸電感，其大小與傳輸功率密切相關。由于兩側均為主動器件，控制非常靈活，便于功率的雙向控制。

2 AEPS調制的原理及策略優化

論文中討論了圖1所示拓撲的典型工作波形，如圖2所示。AC側，S5和S6工作在工頻，S1和S4以0.5占空比互補導通，作為高頻臂，整流后的電壓作為DAB變換器的輸入。DAB變換器的EPS調制策略可分為兩種，一是：在原邊H橋增加內移相角；二是：在副邊H橋增加內移相角，該文中采用的是第二種，在原邊橋和副邊橋移相的基礎上，在副邊增加了內移相角，以此來優化DAB變換器的控制。EPS調制相比較與SPS調制增加了控制自由度，利于變換器的優化，文中還采用了不對稱EPS調制方法，使EPS的自由度由2變為3，在不增加控制變量的基礎上使自由度，使變換器的控制更加靈活。

引入非對稱調制，在時域內分析建模，可以將AEPS的調制分為9種工作模式，其中有5中工作模式電感兩端電壓和電流的乘積小于零的時間較長，對于傳輸有功不利，將其舍棄，剩余4種工作模式，如圖3所示。

與EPS調制不同，AEPS調制的非對稱性導致電感電流不對稱，根據電壓增益和移相角關系，模式4下，電感電流峰峰值滿足下式

同樣地，其他模式的電感電流可以用同樣的方法計算，用Maple輔助作圖可以得到上述四種模式的曲線，如圖4所示。

由圖4看出，模式2功率傳輸范圍最寬，且傳輸功率高，模式1、4、5功率傳輸范圍較窄，且傳輸功率低，對3者比較，相同傳輸功率條件下，模式4的電流峰值最小。故APES調制的工作模式優選模式2和模式4。

在多變量控制中，一個期望值往往對應多組變量，但這些解不一定都是最優解，那么就需要我們找出最優解，這個過程稱之為最優化。對于變換器而言最直接的優化體現在效率上，改變輕載下變換器的效率。對效率優化，其本質是對電流的優化，因為對于一個變換器其線路阻抗一定，在相同功率下，峰值電流越小其線路損耗越小，隨之效率就會上升。

DAB變換器可以對回流功率、電感電流有效值，電感電流峰值等參數進行優化，其中研究最多的為峰值電流優化，相比而言，有效值優化和回流功率優化的計算過程比較復雜。

該文中采用的優化方法為KKT條件，通過構建目標函數和約束條件，來尋求最優的移相角。本文中的優化因額外引入了電感電流初值約束條件優化PFC級的電流質量，因此不能兼顧ZVS范圍。對模式2和模式4優化后得到了如圖5的優化策略。

3 實驗驗證

通過Simulink對變換器進行了建模，對比分析了SPS和AEPS調制策略，相比之下，AEPS網側電流諧波小。文中還對ZVS情況作了分析，并給出了ZVS的實際情況。最后搭建了800W實驗平臺，實驗結果如圖6所示。文中的AEPS優化策略選擇模式2和模式4，可以實現移相角的無縫切換，保證了變換器的性能。從實驗結果可以看出采用AEPS調制，輕載時，相比于SPS和EPS效率分別提升14.7%和4.6%，滿載時，效率分別提升了5%和1.5%。最終測試，滿載800W輸出時，網側電流THD為2.63%，小于3%，效率為93.5%。從實驗結果可以看出，AEPS調制策略優化效果較明顯，且實現了單級AC-DC的雙向功率傳輸，契合當下發展需求。