基于PSIM2021a的雙有源全橋DAB變換器建模分析(SPS)

1 汽車電源應用場景

電動汽車電源系統由動力電池充電電源、低壓電源、電機驅動三個子系統組成，其中高壓動力電池為車載電源系統的核心，為電機及車內低壓用電器供電。系統框圖如圖1所示。車載充電機或充電樁均可作為動力電池充電子系統，而車載充電機由于其較高的便攜性所以被廣泛使用。車載充電機常由功率因數校正(PFC, Power Factor Correction)電路和隔離型雙向DC/DC電路構成，為了實現高效、快速充電，減少充電過程中對電池的損害，充電機的輸出電流一般隨著電池電量的變化而不斷變化。低壓電源子系統由隔離型雙向低壓大電流DC/DC電路和低壓電池組組成，其作用分為兩個部分，一方面在充電時為車載充電機輸出電容進行預充電，另一方面為車載低壓用電器供電，保證整車的正常運行。電機驅動子系統主要由電機驅動變流器和電機構成，是電動汽車正常行駛時的動力來源。

圖1 電動汽車電源框圖

后級多采用雙向DC/DC變換器，其中雙有源橋變換器應用最為廣泛。在DAB電路中，輸入側和輸出側均為主動式全橋電路，通過控制原邊全橋與副邊全橋輸出的相角差以及原副邊全橋輸出的占空比來調節能量傳遞的大小和方向。DAB拓撲有較寬的軟開關范圍，同時其控制方式簡單，在中大功率場合得到廣泛的應用。然而，由于移相控制的存在，使得電路中環流損耗加大，開關損耗也隨之增高，系統的效率受到限制。為了解決上述問題，很多學者對DAB電路的控制策略的研究一直在深入，例如雙重移相控制方法、三重移相控制方法、變頻移相混合控制方法等，這些控制策略能夠在一定程度上降低電路的環流損耗，拓寬軟開關工作范圍，提升系統效率。DAB變換器拓撲如圖2所示。

圖2 雙有源橋拓撲

2 SPS控制原理

DAB變換器控制變量較多（D：原邊與副邊之間移相比，D1：原邊對角移相比，D2副邊對角移相比）。其中最經典、最廣泛的為SPS控制方法。SPS控制只有一個外移相D控制變量，由于DAB適用于寬電壓輸出工況，那么輸出電壓改變，對應原邊和副邊之間電壓傳輸比發生改變，對應電流應力、傳輸功率和回流功率均發生改變。將會嚴重影響電源轉換效率。在此基礎上，學者通過增加控制變量和優化電流應力的方法來較小導通損耗和回流功率，以提高電源的效率。SPS控制波形如圖3所示。

圖3 SPS控制原理

3 模型搭建與分析

根據電壓傳輸比k= V1/nV2的不同，可以將DAB變換器分為Boost和Buck兩種工作模式，這里以Buck工作模式（k>1）為例進行建模分析。建模首要工作是搭建滿足開關管工作時序的驅動波形，PWM發波實現；搭建主功率回路，各器件均按照實際參數設置，這樣仿真結果更接近實際情況；這兩步驟完成，對DAB變換器進行開關測試，若在額定工況下能正常運行，下面將進行PI參數設置，時DAB能夠實現閉環運行，測試正向運行模式，相應反運行就很容易實現。仿真模型如圖4所示。