基于开关组合规律的双有源桥DC-DC变换器传输功率特性

谷 庆 袁立强 聂金铜 李 婧 赵争鸣

（清华大学电机系 电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室 北京 100084）

基于开关组合规律的双有源桥DC-DC变换器传输功率特性

谷 庆 袁立强 聂金铜 李 婧 赵争鸣

（清华大学电机系 电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室 北京 100084）

双有源桥DC-DC变换器（DAB）采用移相控制时拥有三个互相独立的移相自由度， 通过DAB一次侧、二次侧输出电压的解耦，将三个移相自由度任意组合下的DAB工作状态划分为12个模式。对12个模式的传输功率分别进行计算，推导各模式下传输功率的取值范围，并在此基础上对三重移相控制下DAB的传输功率特性进行研究。通过对三个移相自由度做一些特殊赋值，三重移相控制可以简化为单重移相控制、拓展移相控制和双重移相控制，研究这四种移相控制方法的传输功率范围，并对它们功率传输的灵活性进行比较。最后，通过实验验证了理论分析结果。

双有源桥DC-DC变换器 开关组合 三重移相控制 传输功率

0 引言

电能路由器或者电力电子变压器的拓扑经过多年的发展，形成了目前具有代表性的三级式结构[1]，由输入整流器、中间双向隔离DC-DC变换器（Isolated Bidirectional DC-DC Converter, IBDC）和输出逆变器等三级组成。输入整流器和输出逆变器主要由电力电子变换器构成，其拓扑和相应的控制策略已经有了较为成熟的研究。而中间的IBDC作为两端能量汇集与耦合中心，在电力电子变换器和高频变压器的共同作用下，属于典型的铜、铁和半导体组合系统，在电能路由器中承担着电气隔离、电压变换和功率双向传输等核心功能。

IBDC是在传统非隔离DC-DC变换器的基础上发展而来的，具有多种不同的拓扑形式，目前应用最广泛的是一种被称作双有源桥（Dual Active Bridge, DAB）DC-DC变换器（后文简称DAB）的结构。与其他使用较少开关管的拓扑相比，在器件承压和通流能力一定的条件下，DAB具有更大的功率变换能力[2]，有助于降低系统的体积、提高系统的功率密度。

DAB的典型拓扑如图1所示，由输入H桥、高频变压器和输出H桥等三部分组成，是典型的多变量、非线性、强耦合系统。对其进行准确建模，进而对不同目标变量进行优化控制是DAB研究的热点和难点。而DAB在系统中的基本功能之一是承担功率的双向传输任务，因此对传输功率进行细致研究是DAB优化控制与运行的基础和前提。

图1 DAB的拓扑结构Fig.1 The topology of DAB

从控制角度出发，移相控制由于具有原理简单、易于实现软开关、系统动态响应快等优点，成为DAB的主流控制方法。最简单的移相控制方法是单重移相（Single Phase Shift, SPS）控制，即给DAB的一次侧H桥和二次侧H桥分别施加一组具有一定移相角度的驱动信号，使得一次侧、二次侧H桥输出两个具有一定移相角度的方波电压。定义移相角度与半个开关周期的比值为移相比，则通过对移相比进行调整，就可以实现功率的正向或反向传输以及改变所要传输的功率大小。文献[3]详细分析了DAB在SPS控制下的工作原理，并在此基础上推导了其功率传输特性。此外，SPS控制还可以应用于具有其他结构的双向DC-DC变换器中，文献[4]介绍了SPS控制在二极管钳位三电平半桥双向DC-DC变换器中的应用，并对其传输功率和软开关进行了分析。SPS控制虽然原理简单，但其不可避免地会产生较大的回流功率，同时在一次、二次电压和变压器匝比不匹配时，会产生较大的电流应力，造成系统的损耗增大，降低系统的效率。鉴于此，文献[5]提出了一种拓展移相（Extended Phase Shift, EPS）控制方法，除了一次侧、二次侧H桥之间原有的外移相比之外，又在某一个H桥内部的两个桥臂之间新增了一个内移相比，在EPS控制下，DAB的回流功率得到了显著降低。文献[6-10]进一步研究了EPS控制下DAB的回流功率、电流应力及软开关等特性，并分别提出了对相应目标变量进行优化的控制策略。不同于EPS控制，文献[11]在一次侧、二次侧两个H桥内部同时设置内移相比，且保持两个内移相比相等，从而提出了一种双重移相（Dual Phase Shift, DPS）控制方法。文献[11]对DPS控制下DAB的传输功率进行了细致分析，并与SPS控制进行了对比研究，但是该文献并没有对DPS控制可能出现的所有情况进行分析，而只研究了其中的两种情况，从而导致实验结果与理论分析不尽相同。文献[12]对DPS控制的所有模态进行了分析，并推导了电流应力最小的条件以及最优电流控制的原理和实现方案。

事实上，当采用移相控制时，DAB具有三个互相独立的控制自由度，即一次侧H桥的内移相比、二次侧H桥的内移相比和两个H桥之间的外移相比，当一个DAB系统同时具有上述三个独立的移相比时，即称之为工作于三重移相（Triple Phase Shift, TPS）控制方法下。SPS控制、EPS控制和DPS控制均是TPS控制的一种特殊情况，因此对TPS控制进行研究更具有一般性和普遍适用性，也能够更加充分地挖掘DAB控制自由度之间的组合对系统性能提升的能力。目前关于TPS控制的研究尚处于起步阶段。文献[13-16]分别分析了TPS控制的工作原理，对TPS控制下DAB的传输功率、软开关、回流功率和电流应力等特性进行了研究。但是上述文献都只涉及TPS控制下的某一个或几个模式分析，不能全面反映移相自由度的任意组合以及电路参数的变化对系统性能的影响。实际上，由于三个移相自由度之间的相互独立，对于图1所示的DAB系统，其具有无穷多种开关组合状态，因此如何对TPS控制下可能出现的所有模式进行完全分类是TPS控制的基础和难点。

本文首先分析TPS控制的工作原理，并对TPS控制下可能出现的所有模式进行分类，在此基础上对不同开关组合下DAB的传输功率特性进行研究。通过对三个移相自由度进行简化处理，对比研究SPS控制、EPS控制、DPS控制和TPS控制下DAB的传输功率特性差异。最后通过实验对理论分析结果进行验证。

1 三重移相控制的工作原理

图2为某种开关组合下TPS控制的主要波形，本文称之为模式A。下面以模式A为例介绍TPS控制的基本原理。结合图1和图2，一个桥臂上、下两只管子的驱动互锁，定义开关S4和S1驱动信号之间的相位差与半个开关周期的比值为一次侧H桥的内移相比D1；Q1和S1驱动信号之间的相位差与半个开关周期的比值为一次侧、二次侧H桥之间的外移相比D2；Q4和Q1驱动信号之间的相位差与半个开关周期的比值为二次侧H桥的内移相比D3。

图2 三重移相控制下模式A的主要波形Fig.2 The main waveforms of model A under TPS control

如图2所示，一次侧H桥的输出电压uh1和折算到一次侧的二次侧H桥输出电压uh2共同作用在电感Ls上，形成电感电压uL，进而产生电感电流iL。考虑到iL的波形具有半周期对称的特点，因此对其进行分析可只考虑半个周期的情况。

在t0～t4的半个周期内，模式A可细分为五个不同的模态，如图3所示。

图3 模式A半个周期的模态分析Fig.3 Modal analysis of model A in half a cycle

1）模态1。在t0～t1时间段内，电流iL为负，一次侧H1桥内开关S1和S3处于通态、S2和S4处于断态，因此电流通路为“变压器—电感—S1反并联二极管—S3—变压器”，H1的输出电压为0；二次侧H2桥内开关Q2和Q4处于通态、Q1和Q3处于断态，因此电流通路为“变压器—Q4—Q2反并联二极管—变压器”，H2的输出电压为0。因此，t1时刻电感电流为

2）模态2。在t1～t2时间段内，二次侧H2桥内的电流通路保持模态1的状态不变。t1时刻，开关S4导通、S3关断，一次侧H1桥内的电流从S3换流到S4的反并联二极管中，因此电流通路为“变压器—电感—S1反并联二极管—电容C1—S4反并联二极管—变压器”，H1的输出电压为U1。因此，t2时刻电感电流为

3）模态3。在t2～t20时间段内，一次侧H1桥内的电流通路保持模态2的状态不变。t2时刻，开关Q3导通、Q4关断，二次侧H2桥内的电流从Q4换流到Q3的反并联二极管中，因此电流通路为“变压器—Q3反并联二极管—电容C2—Q2反并联二极管—变压器”，H2的输出电压为-nU2。

4）模态4。t20时刻，电流iL过零，所有开关管的开关状态保持不变。因此在t20～t3时间段内，一次侧H1桥内的电流通路为“变压器—S4—电容C1—S1—电感—变压器”，H1的输出电压为U1；二次侧H2桥内的电流通路为“变压器—Q2—电容C2—Q3—变压器”，H2的输出电压为-nU2。因此，t3时刻电感电流为

5）模态5。在t3～t4时间段内，一次侧H1桥内的电流通路保持模态4的状态不变。t3时刻，开关Q1导通、Q2关断，二次侧H2桥内的电流从Q2换流到Q1的反并联二极管中，因此电流通路为“变压器—Q1反并联二极管—Q3—变压器”，H2的输出电压为0。因此，t4时刻电感电流为

考虑到稳态时电感电流iL的波形上下半波对称，即

则联立式（1）～式（5），解得各时间点的电流值为式中，Ki=nU2/(4fsLs)，n为变压器一次侧、二次侧匝数比，fs为DAB的开关频率，fs=1/(2Ths)；k为DAB的电压转换比，k=U1/(nU2)。

2 三重移相控制的模式分类

图2给出了移相自由度（D1, D2, D3）的某种取值组合下DAB三重移相的波形图，但是实际上（D1, D2, D3）有无穷多种取值组合，当其选取不同的取值组合时，TPS控制会呈现出不同的波形变化规律，进而产生不同的工作模式。图4为不同于模式A的另一种工作模式，结合后续分析，将该模式记为模式F。比较图2和图4可以发现，DAB的工作模式主要取决于电感上的电压波形，不同的电压波形会产生不同的电感电流，即不同的工作模式。由图1可知，电感上的电压等于一次侧、二次侧H桥输出电压的共同作用，因此对DAB工作模式的分类也可以等效为对一次侧、二次侧H桥输出电压的分类。

图4 三重移相控制下模式F的主要波形Fig.4 The main waveforms of model F under TPS control

如图1所示的DAB，其一次侧H桥的输出电压uh1只受控于D1，而与D2和D3无关；二次侧H桥的输出电压uh2只受控于D2和D3，而与D1无关。据此，可在一定程度上实现一次、二次侧H桥输出电压的解耦。如图2所示，当0≤D1≤1，-1≤D2≤1，0≤D3≤1时，随着D1的变化，uh1的波形从t0时刻开始始终呈现出“0→正→0→负”的变化规律，而准方波的占空比则随着D1的变化而改变；uh2的波形则同时受控于D2和D3，其准方波的占空比随着D3的变化而改变，而其波形的变化规律则要综合考虑D2和D3的取值，具体来说可能有四种变化规律，即“0→负→0→正”、“负→0→正→0”、“0→正→0→负”和“正→0→负→0”等四种情况。uh2的四种变化规律对应的D2和D3的取值范围为

对于某一种uh2的变化规律，uh1和其组合又有三种情况。图5是以“0→负→0→正”的uh2变化规律为例的uh1和uh2的三种组合情况。当uh1的零电平至高电平跳变发生在uh2的第一个零电平时则构成组合1，当发生在uh2的负电平时则构成组合2，当发生在uh2的第二个零电平时则构成组合3。其中，组合1即对应图2所示的模式A，此时D1的取值范围为0≤D1≤D2+D3-1。同理，可得到组合2和组合3下D1的取值范围分别为D2+D3-1≤D1≤D2, D2≤D1≤1。

图5 uh1和uh2的三种组合情况Fig.5 Three combinations of uh1and uh2

考虑到uh2有四种变化规律，根据上述分析，uh1和uh2的组合共有12种情况，即TPS控制共有12种工作模式，不妨记为模式A～L。各模式下移相比（D1, D2, D3）的取值范围见表1。

表1 TPS控制下12种工作模式的移相比取值范围Tab.1 The range of phase shift ratio for different models under TPS control

根据表1中各模式下移相自由度的取值范围，以（D1, D2, D3）为三维变量，将取值范围为0≤D1≤1，-1≤D2≤1，0≤D3≤1的1×2×1三维空间划分为12个模块，如图6所示，每个模块对应TPS控制的一个工作模式。需要注意的是，为了能够更直观地区分模式A～L的空间分布，对长方体空间区域进行了分散化处理，四大区域实际上是按照图示位置紧密连接在一起构成的一个完整长方体。

图6 模式A～L的三维空间分布Fig.6 The spatial distribution of model A～L

3 不同开关组合下的传输功率

3.1 传输功率的计算

当DAB工作于不同的开关组合，即不同的工作模式下时，其传输功率的计算公式有所不同，本节以模式A为例说明传输功率的计算方法。

如图2所示，若忽略系统的损耗，传输功率可以定义为一个周期内一次侧H桥输出的平均功率或二次侧H桥吸收的平均功率。考虑到H桥的输出电压和电感电流均具有半波对称特性，可以将传输功率的计算由一个周期简化为半个周期[t0, t4]内。则模式A的传输功率为

为了和SPS控制相比较，以SPS控制所能传输的最大功率为基值对式（8）进行标幺化操作。SPS控制的传输功率为[5]

式中，D为一次侧、二次侧H桥之间的外移相比。其最大传输功率为

则模式A的传输功率标幺值为

按照上述方法同样可对模式B～L的传输功率进行计算，结果见表2。可以看出，标幺化后的传输功率只与TPS控制的三个移相自由度有关，而与一次侧、二次侧母线电压等电路参数无关。以下关于传输功率的讨论如若无特殊说明均指标幺化的传输功率。

表2 TPS控制下12种工作模式的传输功率Tab.2 The transmission power for different models under TPS control(标幺值)

3.2 传输功率的取值范围

下面以模式A为例对传输功率的取值范围进行分析。

将式（11）对D1求导，得

考虑到D1的取值范围0≤D1≤D2+D3-1，则pA在D1=D2+D3-1时取最大值，在D1=0时取最小值，代入式（11）得

将式（13）对D2求导，得

考虑到D2的取值范围1-D3≤D2≤1，则pAmax1在D2=1-D3时取最大值，pAmin1在D2=1时取最小值。代入式（13）得

进一步考虑到D3的取值范围为0≤D3≤1，则很容易得到当D3=1/2时，pAmax2取得最大值，pAmin2取得最小值。综上，模式A的传输功率pA的取值范围为[-0.5, 0.5]。当pA取负值时，表示功率反向传输，即由二次侧H2桥向一次侧H1桥传输功率。

同理，可以求得模式B～L的传输功率取值范围，如图7所示。从图中可以看出，不同工作模式的传输功率范围不尽相同，模式D具有正向最大传输功率范围，模式J具有反向最大传输功率范围，但是TPS控制总的传输功率范围和SPS控制相同，均为[-1, 1]。模式A～F和模式G～L就传输功率范围而言具有一定的对称性，前者的外移相比D2≥0，后者的外移相比D2≤0。模式B～E只能正向传输功率，模式H～K只能反向传输功率，而模式A、F、G和L四类既可以正向传输功率，也可以反向传输功率。

图7 TPS控制下不同工作模式的传输功率范围Fig.7 The range of transmission power for different models under TPS control

3.3 三重移相控制下的传输功率

图8给出了不同开关组合下TPS控制的传输功率。由于传输功率和三个移相自由度有关，是一个四维问题，因此在作图时将外移相比D2当作一个可变的已知参数选取几组典型的p关于（D1, D3）的三维曲线。图8表明，和SPS控制不同的是，由于加入了D1和D3的作用，当D2=0时，TPS控制依旧可以传输功率；而在D2＞0时，传输功率的方向既可能是正向也可能是反向；在D2＜0时，传输功率的方向同样既可能是正向也可能是反向。当D2＞0时，随着D2的增大，一开始正向传输的功率范围越来越大，反向传输的功率范围越来越小；当D2=0.5时，正向传输的功率范围达到最大值1，此时功率无法反向传输；此后，随着D2的增大，正向传输的功率范围越来越小，而反向传输的功率范围越来越大。当D2＜0时拥有类似的规律，此处不再赘述。

图8 D2作为可变参数时TPS控制的传输功率Fig.8 The power transmission of TPS control when D2is treated as an known variable parameter

综上，对于一个IBDC系统而言，传输一定功率时，可以有多种移相自由度的组合情况，这为系统的优化运行提供了可能。

4 不同移相控制方法的传输功率特性

4.1 TPS控制的简化模型

TPS控制下DAB的传输功率曲线如图8所示，如果将TPS控制的三个互相独立的移相自由度（D1, D2, D3）做一些特殊赋值，则TPS控制可以简化为SPS控制、EPS控制和DPS控制。令D1=D3=0，则TPS控制将简化为最简单的SPS控制，其功率传输特性如图9a所示：当0＜D2＜1时，功率正向传输；当-1＜D2＜0时，功率反向传输；当D2=-1, 0, 1时，传输功率为0。令D3=0，则TPS控制将简化为EPS控制，其功率传输特性如图9b所示：当D1=0时，EPS控制又可以简化为SPS控制。令D1=0，则TPS控制将简化为另一种EPS控制，其功率传输特性如图9c所示，对比图9b和图9c可以发现，两者具有相似的传输功率特性，但由于两个H桥内移相比的设置差异，两者的变化规律关于D2=0呈镜像分布。令D3=D1，则TPS控制将简化为DPS控制，其功率传输特性如图9d所示，同样当D1=0时，DPS控制也可以简化为SPS控制。

图9 TPS控制简化模型的传输功率Fig.9 The transmission power of simplified TPS control

综合图8和图9可以发现，无论是EPS控制还是DPS控制或者TPS控制，相较于SPS控制而言，虽然其各自的传输功率灵活性增强，但是总的传输功率范围和SPS控制保持一致，均为-1～1。

4.2 TPS控制及其简化模型的传输功率对比分析

如图9a所示，SPS控制下，DAB的传输功率特性为一条幅值为1的正弦曲线，当传输功率p在-1～1范围内变化时，除了p= -1, 0, 1这几个特殊点以外，欲传输一个特定的功率p，有且只有两个外移相比D2与之对应。而EPS控制、DPS控制以及图8所示的TPS控制，其传输功率特性均为关于（D1, D2, D3）的三维或者四维曲线，使得欲传输一个特定的功率p时可以有多组（D1, D2, D3）的取值组合，增加了功率传输的灵活性。但是就EPS控制和DPS控制而言，难以从传输功率特性的三维图上判断出二者之间的灵活性强弱关系。同样，对于TPS控制和EPS控制、DPS控制之间的比较，只能从直觉上认知TPS控制的灵活性更强，但是无法从图8和图9的三维图比较中得到直观的结论。因此，接下来将通过对三维或者四维曲线进行二维化处理，对SPS控制、EPS控制、DPS控制和TPS控制四者的传输功率特性做进一步的分析，比较灵活性强弱关系。

对于图9d所示的DPS控制，将D1当作一个可变的已知参数，作取p关于D2的二维曲线簇，如图10a所示，图中D1=0→0.1→1，共11条曲线。由图可得，SPS控制的传输功率特性曲线是DPS控制的一个特例。进一步地，当D1在0～1范围内任意取值时，p与D2的取值组合如图10b所示，当D2在-1～1范围内变化时，与之对应的p和D2的组合可以是SPS控制下传输功率曲线与D2轴所包围区域内的任意点。例如，当D2=0.3时，p可以在0到最大值0.84之间任意取值；当D2=0.5时，p可以在0到最大值1之间任意取值，如图11所示。进一步分析发现，对于图10b，除了（-1, 0），（0, 0）和（1, 0）等极少数点以外，DPS控制下传输功率取值范围内的每一个点均对应唯一一组（D1, D2）的取值组合。

图10 DPS控制的传输功率范围Fig.10 The range of transmission power under DPS control

同理，可以对图9b所示的EPS控制做类似的二维化处理，其结果如图12所示。对于图12b，SPS控制与D2轴所包围区域内的每一个点均对应唯一一组（D1, D2）的取值组合，虽然该取值组合不同于DPS控制下的取值组合，但是两者在可选的组合范围上是一样的，此处可以用SPS控制与D2轴所包围区域的面积来等价表示传输功率取值范围的可选组合多少，即功率传输的灵活性强弱，面积越大，表示可选组合越多，功率传输越灵活。进一步分析发现，EPS控制除了拥有和DPS控制等价的传输功率取值范围以外，还额外拥有三块区域，如图12b中的区域1～3，且这三块区域中的每一个点对应了不止一组（D1, D2）的取值组合，因此EPS控制下传输功率取值范围的可选组合比图12b的面积还要大。综上所述，就功率传输的灵活性而言，EPS控制比DPS控制更加灵活，更有优势。

图11 DPS控制下给定D2时p的取值范围Fig.11 The range of p when D2is given under DPS control

图12 EPS控制的传输功率范围（D3=0）Fig.12 The range of transmission power under EPS control (D3=0)

对于图9c所示的EPS控制，其二维化处理结果如图13所示。其传输功率取值范围的可选组合与图12等价，相关结论和图12类似，此处不再赘述。

图13 EPS控制的传输功率范围（D1=0）Fig.13 The range of transmission power under EPS control (D1=0)

TPS控制的传输功率是一个p关于（D1, D2, D3）的四维问题，因此对其进行二维化处理需要将D1或者D3当作一个可变的已知参数进行处理。选取D3=0, 0.4, 0.8作为典型代表对TPS控制进行二维化处理，其结果分别如图14a～图14c所示，当D3在0～1范围内任意取值时，TPS控制总的二维化处理结果如图14d所示。图14d中，TPS控制下传输功率取值范围的可选组合表面上等于图12b和图13b的叠加，但是实际上根据图14a～图14c的结果可以看出，随着D3取值的变化，图14d所示区域内的每一个点都有无数组（D1, D2, D3）与之对应，因此TPS控制下传输功率取值范围的可选组合要比图14d中的区域面积大得多。

图14 TPS控制的传输功率范围Fig.14 The range of transmission power under TPS control

综上所述，就功率传输的灵活性而言，TPS控制＞＞EPS控制＞DPS控制＞＞SPS控制。

5 实验与分析

为了对上述理论分析结果进行验证，搭建了如图15所示的DAB实验平台，系统的部分规格参数见表3。该实验平台采用两个可回馈的直流电源作为系统的输入和输出，可以方便地实现功率的双向流动；采用Myway公司的PE-Expert4作为系统的控制器，在20kHz频率下，移相比的可调节精度为1/2 500；DAB部分由两个H桥通过高频隔离变压器和附加电感连接构成。

图15 DAB实验平台Fig.15 DAB experimental platform

表3 实验平台的关键参数Tab.3 The main parameters of DAB platform

令一次侧、二次侧H桥的内移相比相等，均为D1，当D1=0→0.2→1时，实验测得DPS控制下的传输功率p与外移相比D2的对应关系如图16a所示。若令二次侧H桥的内移相比D3=0，实验测得EPS控制下的传输功率p与外移相比D2的对应关系如图16b所示。当采用TPS控制时，p与D2的关系曲线同时受控于D1和D3，以D3=0.4为例，实验测取了D1=0→0.2→1时，TPS控制下的传输功率p与外移相比D2的对应关系如图16c所示。对比图10、图12、图14和图16可以发现，三种移相控制方法传输功率特性曲线的实验结果和理论分析基本一致，证明了理论分析的可靠性。

图16表明，对于一个DAB而言，欲传输一定的功率，可以有很多种不同的开关组合。图17给出了p=0.48时可能出现的四种开关组合下的实验波形。由图可得，虽然四种开关组合可以传输相同的功率，但是彼此之间的电流存在差异，图17a和图17b的电流应力较小，而图17c和图17d的电流应力较大。较大的电流应力不仅会对开关管提出更高的要求，同时也会增加系统的损耗，因此在实际运行中，还需根据电流应力、损耗等其他指标来选择DAB的最优运行点。需要注意的是，虽然图17d的电流应力最大，但并不代表TPS控制是最差的。实际上DPS控制和EPS控制都是TPS控制的一个特例，如何通过开关组合实现DAB的优化运行将在后续研究中予以说明。

图16 三种移相控制方法传输功率特性的实验结果Fig.16 The experimental results of transmission power under different phase shift control method

图17 p=0.48时可能出现的四种实验波形Fig.17 Four kinds of possible experimental waveforms when p=0.48

6 结论

本文首先分析了双有源桥DC-DC变换器三重移相控制的工作原理，接着针对三个移相自由度的可能组合将三重移相控制划分为12种工作模式，在此基础上对任意开关组合下DAB的传输功率进行了计算。通过对三重移相控制进行简化，可以将其降阶为单重移相控制、拓展移相控制和双重移相控制。详细分析了四种移相控制方法的传输功率特性，结果表明：四种移相控制方法具有相同的功率传输范围，但就功率传输的灵活性而言，三重移相控制具有极大的优势，而拓展移相控制相较双重移相控制而言灵活性更强，单重移相控制的功率传输灵活性最弱，通常欲传输一定的功率，其只有两个可供选择的外移相比。最后搭建了DAB实验平台对本文的理论分析结果进行了验证，实验结果和理论分析能够很好地匹配，证明了理论分析的正确性。

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（编辑 张玉荣）

Transmission Power Characteristics of Dual-Active-Bridge DC-DC Converter Based on the Switching Combination Rules

Gu Qing Yuan Liqiang Nie Jintong Li Jing Zhao Zhengming
（State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments Department of Electrical Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China）

The transmission power characteristics of dual-active-bridge (DAB) DC-DC converter is studied in this paper. There are three independent degrees of freedom when DAB is controlled by phase shift modulation. The DAB working status under any combinations of three phase-shifted degrees of freedom is divided into 12 models. The transmission power values of these 12 models are calculated separately. The range of transmission power for each model is derived, and the transmission power characteristics of DAB under triple-phase-shift (TPS) control are analyzed. The TPS control can be simplified as single-phase-shift (SPS) control, extended-phase-shift (EPS) control and dual-phase-shift (DPS) control when some of the degrees of freedom are assigned as special values. The ranges of transmission power for four phase-shift control methods are studied respectively, while the flexibility of power transmission is discussed comparatively. The theoretical analysis is verified by the experiments in the end.

Dual active bridge (DAB) DC-DC converter, switching combination, triple-phase-shift (TPS) control, transmission power

TM46

谷 庆 男，1992年生，博士研究生，研究方向为电力电子变压器、高频隔离DC-DC变换器。

E-mail： guqing1573@163.com（通信作者）

袁立强 男，1976年生，副研究员，博士生导师，主要研究方向为大容量电力电子变换系统、电能路由器等。

E-mail： ylq@tsinghua.edu.cn

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.170629

国家自然科学基金重大项目资助（51490680，51490683）。

2017-05-12 改稿日期 2017-05-12