串联谐振双有源桥（SR-DAB）DC-DC变换器闭环仿真研究

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引言双有源桥变换器作为一种经典的隔离型双向DC-DC变换拓扑凭借其结构对称、控制灵活、易于实现软开关等优势在电动汽车充电、储能系统、电力电子变压器等领域得到了广泛应用。然而传统DAB变换器在实际运行中仍面临若干技术挑战轻载或电压不匹配工况下环流损耗显著、开关管难以在全工况范围内维持ZVS、高频变压器的直流偏磁问题等。为克服上述不足研究者提出了多种拓扑改进方案其中在DAB基础上引入串联谐振网络形成的串联谐振双有源桥SR-DAB变换器备受关注。该拓扑通过在原边或副边全桥电路中加入LC串联谐振单元使变压器电流呈正弦波形不仅可防止变压器饱和还能显著降低开关器件的电流应力以及由高频谐波引起的额外损耗。文献研究表明SR-DAB变换器具有峰值效率高、开关损耗小的特点已被广泛应用于电力电子牵引变压器等场合。在控制策略方面单移相SPS控制因其实现简单、可靠性高而成为DAB类变换器最基础的调制方式。PI控制作为一种经典的闭环调节算法在DABSRC双有源桥串联谐振变换器中同样适用可用于输出电压的精确调节。近年来围绕SR-DAB的建模、调制优化和效率提升已有大量研究成果。本文以SR-DAB变换器为研究对象基于PLECS 4.9.2仿真平台开展闭环仿真研究。论文的主要工作包括介绍SR-DAB的拓扑结构及其工作原理设计基于SPS调制和PI控制的电压闭环方案在400V输入、60V输出、700W额定功率的设计指标下对不同工况进行效率测试与分析最后给出相关参考文献和热仿真学习资料。2 SR-DAB变换器拓扑与工作原理2.1 拓扑结构串联谐振双有源桥变换器的拓扑结构是在传统双有源桥变换器的基础上在变压器的原边或副边串联接入LC谐振单元。具体而言SR-DAB由原边全桥逆变电路、LC串联谐振网络、高频隔离变压器和副边全桥整流/逆变电路四部分组成。原边全桥由四个开关管Q1-Q4构成将输入直流电压逆变为高频方波电压该方波电压施加于由谐振电感Lr和谐振电容Cr构成的串联谐振回路谐振电流通过高频变压器耦合至副边副边全桥Q5-Q8在单移相控制下接收能量将高频交流整流为直流输出电压。LC谐振网络的引入是SR-DAB区别于传统DAB的核心特征——电感与电容在特定频率下发生串联谐振使流过变压器绕组的电流波形从传统DAB的方波或准方波变为正弦波。2.2 谐振特性与性能优势SR-DAB中串联谐振腔的存在带来了多方面的性能改善。首先正弦化的电流波形有效降低了电流的峰值和高次谐波含量从而减小了开关器件的电流应力。其次由于电流波形的改善开关管可以在更接近零电流或零电压的条件下完成开关动作显著降低开关损耗。研究表明SR-DAB相比传统DAB能够在更宽的负载范围内实现原边ZVS和副边ZCS零电流关断这对提升轻载效率尤为关键。此外串联谐振电容具有隔直作用能够有效阻断变压器一次侧的直流分量从根本上防止变压器偏磁饱和。这一特性使得SR-DAB在高频化、高功率密度设计中具有更大的优势。3 控制策略与闭环设计3.1 单移相SPS控制原理单移相控制是DAB类变换器最基本的功率调制方式其核心思想是通过调节原边和副边全桥驱动信号之间的移相角来控制传输功率的大小和方向。在SR-DAB中SPS控制同样适用原边全桥和副边全桥的开关频率固定为谐振频率或接近谐振频率通过改变两个全桥之间驱动信号的相位差来调节输出功率。移相角与传输功率之间存在确定的数学关系。当移相角为零时原副边驱动同步传输功率为零随着移相角增大传输功率增加在移相角为π/2附近达到最大值移相角继续增大则功率开始下降。因此通过调节移相角即可实现对输出功率和输出电压的有效控制。3.2 PI电压闭环控制为实现输出电压的精确稳定调节本文采用PI控制器构建电压闭环控制系统。闭环控制的基本原理如下PI控制器实时检测输出电压Vout将其与设定参考值Vref进行比较得到误差信号误差信号经比例-积分运算后输出移相角指令该指令作用于SPS调制器调节原副边全桥的移相角从而改变传输功率使输出电压趋近设定值。PI控制器的参数整定直接影响系统的动态响应性能和稳态精度。比例系数决定系统的响应速度积分系数决定系统的稳态误差消除能力。在实际仿真中需要根据被控对象的传递特性合理选择PI参数在快速响应和系统稳定性之间取得平衡。研究表明PI控制策略在DABSRC中具有良好的适用性能够有效实现输出电压的闭环调节。对于SR-DAB这类谐振变换器由于谐振网络的存在其动态特性与传统DAB有所差异因此在PI参数整定时需要充分考虑谐振参数的影响。可通过扫频分析和Bode图补偿等方法辅助进行PI参数的整定与优化。4 仿真模型与参数设计4.1 仿真平台与版本本文采用PLECS 4.9.2作为仿真平台。PLECS是一款专业的电力电子系统仿真软件具备丰富的功率器件模型库和控制系统设计工具特别适合于谐振变换器、DAB等复杂拓扑的仿真分析与闭环控制设计。PLECS 4.9.2版本提供了改进的热仿真模块和更高效的计算引擎能够满足SR-DAB变换器从电路级仿真到系统级效率分析的全流程需求。4.2 主电路参数设计本文SR-DAB变换器的主要设计指标如下输入电压Vin400V输出电压Vout60V额定功率P700W。基于上述指标主电路的关键参数设计需考虑以下因素变压器变比根据输入输出电压范围确定。在400V输入、60V输出的工况下变压器变比约为6.7:1考虑实际电压增益和损耗后需适当调整。谐振频率的选择需要综合考虑开关频率、器件特性和磁性元件体积等因素。一般而言谐振频率越高变压器和电感体积可进一步缩小但开关损耗和EMI问题也会相应增加。谐振电感Lr和谐振电容Cr的参数需满足串联谐振条件即谐振频率fr1/(2π√(Lr·Cr))。实际设计中需结合开关频率、功率等级和软开关范围进行综合优化。文献研究表明谐振参数的合理选择对SR-DAB的输出功率和整体效率具有显著影响。4.3 仿真模型搭建在PLECS中搭建SR-DAB仿真模型主要包括以下模块功率电路模块包括输入直流源、原边全桥4个开关管及其反并联二极管、LC串联谐振网络谐振电感与谐振电容、高频变压器考虑漏感和励磁电感、副边全桥4个开关管及其反并联二极管、输出滤波电容和负载电阻。控制电路模块包括输出电压采样、误差比较器、PI调节器、移相角计算、PWM发生器和驱动信号分配逻辑。PI调节器的输出经限幅后作为移相角指令PWM发生器根据移相角产生原边和副边全桥的8路驱动信号。测量与后处理模块包括输入电压/电流测量、输出电压/电流测量、功率计算和效率计算等。5 效率测试与工况分析5.1 测试方法效率测试是评估变换器性能的核心指标。SR-DAB的效率定义为输出功率与输入功率之比η Pout / Pin × 100%。在仿真测试中通过测量不同工况下的输入电压、输入电流、输出电压和输出电流计算对应的输入功率和输出功率进而得到效率值。本文设计的效率测试涵盖以下工况维度不同负载条件轻载、半载、满载、过载、不同功率等级从空载到额定功率及以上、不同输入电压范围围绕400V设计点变化。5.2 典型工况效率分析额定工况在Vin400V、Vout60V、P700W的额定工作点SR-DAB变换器预期可实现较高的转换效率。由于串联谐振的存在开关管在接近ZVS/ZCS条件下工作开关损耗显著降低。根据文献报道采用类似拓扑的SR-DAB变换器在优化设计后峰值效率可接近99%。轻载工况轻载是考验变换器效率的难点工况。传统DAB在轻载时环流损耗占比较高效率下降明显。SR-DAB由于谐振电流呈正弦波形且能够在更宽负载范围内维持软开关因此在轻载工况下的效率表现优于传统DAB。变输入电压工况当输入电压偏离400V设计值时电压增益发生变化可能影响软开关的实现和谐振状态的维持。SR-DAB的串联谐振网络具有一定的自适应能力能够在一定的电压变化范围内保持良好的工作特性。5.3 损耗构成分析SR-DAB变换器的损耗主要来源于以下几个方面开关损耗包括开关管的开通损耗和关断损耗。得益于串联谐振使电流波形正弦化开关管可在较低电流应力下完成开关动作开关损耗显著降低。导通损耗包括开关管的通态损耗和变压器的铜损。导通损耗与电流的有效值相关谐振正弦波形的有效值低于同功率下的方波有利于降低导通损耗。磁芯损耗包括变压器和谐振电感的铁损。正弦化的励磁电压和电流有助于降低磁芯中的谐波损耗。谐振网络损耗谐振电感和电容的寄生电阻会带来额外的损耗需要在参数设计时予以考虑。6 仿真结果与讨论6.1 稳态响应在额定工况Vin400VVout60VP700W下PI闭环控制系统能够快速将输出电压稳定在60V设定值稳态误差控制在较小范围内。谐振电流波形呈现良好的正弦特性验证了LC串联谐振网络的有效性。6.2 动态响应当负载发生阶跃变化时PI控制器能够及时调节移相角以补偿输出电压的波动。由于谐振网络的存在SR-DAB的动态响应特性与传统DAB有所差异——谐振腔的储能效应可能使响应略有滞后但同时也对输出电压的突变具有一定的平抑作用。通过合理整定PI参数可在响应速度和超调量之间取得良好的折中。6.3 效率特性综合各工况下的效率测试结果SR-DAB变换器在宽功率范围内均表现出较高的效率水平。额定工况附近效率达到峰值轻载和过载工况下效率虽有下降但降幅平缓。这一效率特性得益于串联谐振拓扑在软开关范围和谐波抑制方面的综合优势。7 结论本文围绕串联谐振双有源桥SR-DABDC-DC变换器基于PLECS 4.9.2仿真平台开展了闭环仿真研究主要结论如下1SR-DAB拓扑通过在传统DAB中引入LC串联谐振单元有效改善了变压器电流波形使电流呈现正弦特性降低了开关器件的电流应力和高频谐波损耗。2基于单移相SPS调制和PI电压闭环的控制方案结构简单、实现方便能够有效实现输出电压的精确稳定调节。3在400V输入、60V输出、700W额定功率的设计指标下SR-DAB变换器在额定工况附近具有较高的转换效率且在宽负载范围内表现出良好的效率特性。4串联谐振的引入使变换器能够在更宽的工况范围内维持软开关状态特别有助于改善轻载效率。后续研究可进一步探索扩展移相EPS、双重移相DPS等多自由度调制策略在SR-DAB中的应用以进一步优化回流功率和提升全工况效率。此外结合热仿真进行损耗分析与散热设计也是值得深入的方向。第二部分——运行结果热仿真-效率测试双有源桥DAB结合LC直流直流SRC串联谐振变换器闭环仿真第三部分——参考文献文章中一些内容引自网络会注明出处或引用为参考文献难免有未尽之处如有不妥请随时联系删除。(文章内容仅供参考具体效果以运行结果为准)​​​​​​第四部分——本文完整资源下载资料获取更多粉丝福利MATLAB|Simulink|Python|数据|文档等完整资源获取本文完整资源下载