基于PSIM2021a的双有源全桥DAB变换器建模分析(SPS)

1 汽车电源应用场景

电动汽车电源系统由动力电池充电电源、低压电源、电机驱动三个子系统组成，其中高压动力电池为车载电源系统的核心，为电机及车内低压用电器供电。系统框图如图1所示。车载充电机或充电桩均可作为动力电池充电子系统，而车载充电机由于其较高的便携性所以被广泛使用。车载充电机常由功率因数校正(PFC, Power Factor Correction)电路和隔离型双向DC/DC电路构成，为了实现高效、快速充电，减少充电过程中对电池的损害，充电机的输出电流一般随着电池电量的变化而不断变化。低压电源子系统由隔离型双向低压大电流DC/DC电路和低压电池组组成，其作用分为两个部分，一方面在充电时为车载充电机输出电容进行预充电，另一方面为车载低压用电器供电，保证整车的正常运行。电机驱动子系统主要由电机驱动变流器和电机构成，是电动汽车正常行驶时的动力来源。

图1 电动汽车电源框图

后级多采用双向DC/DC变换器，其中双有源桥变换器应用最为广泛。在DAB电路中，输入侧和输出侧均为主动式全桥电路，通过控制原边全桥与副边全桥输出的相角差以及原副边全桥输出的占空比来调节能量传递的大小和方向。DAB拓扑有较宽的软开关范围，同时其控制方式简单，在中大功率场合得到广泛的应用。然而，由于移相控制的存在，使得电路中环流损耗加大，开关损耗也随之增高，系统的效率受到限制。为了解决上述问题，很多学者对DAB电路的控制策略的研究一直在深入，例如双重移相控制方法、三重移相控制方法、变频移相混合控制方法等，这些控制策略能够在一定程度上降低电路的环流损耗，拓宽软开关工作范围，提升系统效率。DAB变换器拓扑如图2所示。

图2 双有源桥拓扑

2 SPS控制原理

DAB变换器控制变量较多（D：原边与副边之间移相比，D1：原边对角移相比，D2副边对角移相比）。其中最经典、最广泛的为SPS控制方法。SPS控制只有一个外移相D控制变量，由于DAB适用于宽电压输出工况，那么输出电压改变，对应原边和副边之间电压传输比发生改变，对应电流应力、传输功率和回流功率均发生改变。将会严重影响电源转换效率。在此基础上，学者通过增加控制变量和优化电流应力的方法来较小导通损耗和回流功率，以提高电源的效率。SPS控制波形如图3所示。

图3 SPS控制原理

3 模型搭建与分析

根据电压传输比k= V1/nV2的不同，可以将DAB变换器分为Boost和Buck两种工作模式，这里以Buck工作模式（k>1）为例进行建模分析。建模首要工作是搭建满足开关管工作时序的驱动波形，PWM发波实现；搭建主功率回路，各器件均按照实际参数设置，这样仿真结果更接近实际情况；这两步骤完成，对DAB变换器进行开关测试，若在额定工况下能正常运行，下面将进行PI参数设置，时DAB能够实现闭环运行，测试正向运行模式，相应反运行就很容易实现。仿真模型如图4所示。