文献笔记16---一种非对称EPS调制的单级双向AC-DC变换器

前言

AC-DC是最常用的变换器之一，在电动汽车、充电桩等应用中非常广泛。目前应用最多的是通过两级架构实现电能的变换。在中大应用功率常采用Vienna PFC + LLC或Vienna PFC + DAB，小功率应用中采用Bridgeless PFC + LLC或PFC + LLC等。随着电力电子技术的发展，用户对电力电子功率模块的体积、成本和功率密度等有了更高的要求。学者们已在探索采用单级电路架构实现AC-DC变换，查阅相关双有源桥变换器时，了解到采用单级AC-DC变换器实现AC到DC的变换，该文章中所研究的电路拓扑为单相整流+DAB变换器，在EPS调制的基础上提出了副边H桥非对称调制策略，增加调试变量，使得变换器的优化变得更灵活。根据当下市场的发展，单级AC-DC充电模块也初步商用。查阅文献发现该拓扑在充电桩模块上有较大的应用前景。

1 概述

双有源桥变换器具有软开关、能量双向传输和适用宽的电压范围等优点，在业界得到了广泛的应用。通常应用最多的调制方法是单移相，为了克服输入输出电压不匹配时峰值电流大、效率低的缺点，学者们提出了扩展移相、双重移相，三重移相，非对称PWM的调制策略来优化DAB在中小功率段的性能，对DAB变换器的传输功率发现，随着负载加重，在任何调制方式下都逐渐接近单移相调制，在单移相调制下，移相角为0.5时，其传输的功率达到最大。

随着技术的发展，为了追求变换器的性能、成本和功率密度等，单级AC-DC双向变换器成为了学者们研究的一个方向。图腾柱PFC单级AC-DC变换器，前端为整流器，后端为DAB变换器，采用单级结构实现AC-DC变换器，其拓扑如图1所示。

对于整流器部分，S1、S2为高频臂，S5、S6工作在工频，Lg表示网侧电感；DAB部分原边由4个高频开关组成，分别为S1～S4，副边也由4个高频开关组成，分别为Q1～Q4，Ls为功率传输电感，其大小与传输功率密切相关。由于两侧均为主动器件，控制非常灵活，便于功率的双向控制。

2 AEPS调制的原理及策略优化

论文中讨论了图1所示拓扑的典型工作波形，如图2所示。AC侧，S5和S6工作在工频，S1和S4以0.5占空比互补导通，作为高频臂，整流后的电压作为DAB变换器的输入。DAB变换器的EPS调制策略可分为两种，一是：在原边H桥增加内移相角；二是：在副边H桥增加内移相角，该文中采用的是第二种，在原边桥和副边桥移相的基础上，在副边增加了内移相角，以此来优化DAB变换器的控制。EPS调制相比较与SPS调制增加了控制自由度，利于变换器的优化，文中还采用了不对称EPS调制方法，使EPS的自由度由2变为3，在不增加控制变量的基础上使自由度，使变换器的控制更加灵活。

引入非对称调制，在时域内分析建模，可以将AEPS的调制分为9种工作模式，其中有5中工作模式电感两端电压和电流的乘积小于零的时间较长，对于传输有功不利，将其舍弃，剩余4种工作模式，如图3所示。

与EPS调制不同，AEPS调制的非对称性导致电感电流不对称，根据电压增益和移相角关系，模式4下，电感电流峰峰值满足下式

同样地，其他模式的电感电流可以用同样的方法计算，用Maple辅助作图可以得到上述四种模式的曲线，如图4所示。

由图4看出，模式2功率传输范围最宽，且传输功率高，模式1、4、5功率传输范围较窄，且传输功率低，对3者比较，相同传输功率条件下，模式4的电流峰值最小。故APES调制的工作模式优选模式2和模式4。

在多变量控制中，一个期望值往往对应多组变量，但这些解不一定都是最优解，那么就需要我们找出最优解，这个过程称之为最优化。对于变换器而言最直接的优化体现在效率上，改变轻载下变换器的效率。对效率优化，其本质是对电流的优化，因为对于一个变换器其线路阻抗一定，在相同功率下，峰值电流越小其线路损耗越小，随之效率就会上升。

DAB变换器可以对回流功率、电感电流有效值，电感电流峰值等参数进行优化，其中研究最多的为峰值电流优化，相比而言，有效值优化和回流功率优化的计算过程比较复杂。

该文中采用的优化方法为KKT条件，通过构建目标函数和约束条件，来寻求最优的移相角。本文中的优化因额外引入了电感电流初值约束条件优化PFC级的电流质量，因此不能兼顾ZVS范围。对模式2和模式4优化后得到了如图5的优化策略。

3 实验验证

通过Simulink对变换器进行了建模，对比分析了SPS和AEPS调制策略，相比之下，AEPS网侧电流谐波小。文中还对ZVS情况作了分析，并给出了ZVS的实际情况。最后搭建了800W实验平台，实验结果如图6所示。文中的AEPS优化策略选择模式2和模式4，可以实现移相角的无缝切换，保证了变换器的性能。从实验结果可以看出采用AEPS调制，轻载时，相比于SPS和EPS效率分别提升14.7%和4.6%，满载时，效率分别提升了5%和1.5%。最终测试，满载800W输出时，网侧电流THD为2.63%，小于3%，效率为93.5%。从实验结果可以看出，AEPS调制策略优化效果较明显，且实现了单级AC-DC的双向功率传输，契合当下发展需求。