郑州大学研究团队提出一种单级双有源桥型DC-AC变换器双模变频移相调制方法

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基于双有源桥(Dual-Active-Bridge，DAB)的单级式DC-AC变换器继承了DAB变换器结构简单、可以双向功率传输的优点，同时省去了大体积电解电容，具有长寿命、高可靠性和高功率密度的潜力。 针对单级双有源桥（DAB）型DC-AC变换器关断电流较大和软开关范围有限的问题，郑州大学河南省电力电子与电力系统工程技术研究中心科研团队提出了一种双模变频移相调制策略，在实现变换器单级功率变换的同时，保证全范围软开关并降低了低压侧的关断电流，最后，通过仿真和实验验证了所提调制策略的有效性与可行性。

研究背景

DC-AC变换器被广泛应用于分布式发电、交直流微电网等领域。在并网应用中，隔离型DC-AC变换器拓扑结构具有安全性高和抗干扰能力强的优点，隔离型DC-AC变换器可分为两级式拓扑和单级式拓扑。单级式DC-AC变换器具有长寿命、高可靠性和高功率密度的潜力。本文所关注的变换器拓扑如图1所示。

图1 单级式双有源桥型DC-AC变换器拓扑

论文所解决的问题及意义

在单级式DC-AC变换器中，关断电流是实现软开关的关键，但低压侧往往承受更大的关断电流，特别是在较高变比的情况下，电流倍增现象更加严重。使用单一模式的临界电流调制来降低低压侧关断电流时，变换器在轻载条件下开关频率急剧增加，同时其中一个移相比在电压过零点附近逐渐大于临界值，这将导致变换器的传输功率突变，从而引起交流电流畸变。为此，本文提出一种基于单移相控制和扩展移相控制的变频双模式切换调制策略，减小变换器的低压侧关断电流，同时实现全负载范围软开关。

论文方法及创新点

对DAB变换器的单移相（SPS）调制和扩展移相（EPS）调制进行时域分析，得到其功率传输特性；然后，分析变换器的关断电流与软开关条件，得到移相比和开关频率约束方程；在此基础上，分析双模式间的移相比边界条件，为了保证变换器全范围软开关的同时，实现低压侧的关断电流小于高压侧，本文提出一种双模式切换调制策略。所提调制策略的移相比变化曲线如图2所示，其中在D2≤1时间段内采用的变扩展移相调制策略，在D2＞1时刻切换为变频单移相调制策略。

图2 双模式切换调制移相比变化示意图

这种调制策略不仅降低了绝大部分时间段的关断电流，同时避免了轻载条件下开关频率的陡增。仿真如图3所示，可以看出，双模式切换调制策略在大部分时间段降低了开关器件的关断电流。

图3 不同调制下两侧关断电流对比

最后，研究人员搭建了单级式DC-AC变换器样机，实验平台如图4所示。

图4单级式DC-AC变换器实验平台

结论

本文针对单级式双有源桥型DC-AC变换器，为在降低关断电流的同时实现全范围软开关，提出了一种变频移相双模式切换调制策略。分析了变换器关断电流和软开关约束条件，确定了单移相和扩展移相两种工作模式的切换边界。在此基础上分别讨论了两种模式下传输功率的连续性，通过合理切换工作模式，降低了交流电流畸变。最后，通过仿真和实验验证了该调制策略的可行性。

团队介绍

河南省电力电子与电力系统工程技术研究中心科研团队组合了郑州大学电力电子与电力传动、电力系统及其自动化两个二级学科资源，主要以两个二级学科及其交叉融合发展为核心，着重在电力电子及其高可靠应用、新型电力系统与综合能源、电力系统及其智能化发展等技术领域开展研究。团队拥有郑州市电能控制及系统工程技术研究中心（2017年）、河南省智能电力装备与系统控制创新型科技团队（2017年）、河南省电力电子与电力系统工程技术研究中心（2019年），与许继集团联合建设有河南省智能充电技术重点实验室（2020年）、联合研发中心（2022年）等。

研究中心团队现有固定成员16人，其中正高级7人、副高级7人，具有博士学位的人员15人；在站博士后4人、在读博硕研究生80余人。近五年，研究中心承担国家级、省部级以及校企合作项目等50余项，到款经费2000余万元；在国内外权威学术期刊与国际会议发表高水平论文150余篇，出版学术著作3部；授权发明专利30余项；获得河南省科技进步奖、中国发明创新奖、中国产学研合作创新成果奖等科研奖励10余项；团队成员担任期刊编委、学会委员等，在国内外相关领域具有较好的影响力。

本工作成果发表在2024年第21期《电工技术学报》，论文标题为“基于双模式变频移相调制的单级式双有源桥型DC-AC变换器“。本课题得到国家自然科学基金、中央引导地方科技发展资金、国家资助博士后研究人员计划和河南省科协青年人才托举工程项目的支持。

引用本文

王要强, 李灏, 李想, 聂福全, 陈天锦, 梁军. 基于双模式变频移相调制的单级式双有源桥型DC-AC变换器[J]. 电工技术学报, 2024, 39(21): 6865-6876. Wang Yaoqiang, Li Hao, Li Xiang, Nie Fuquan, Chen Tianjin, Liang Jun. A Single-Stage Dual Active Bridge DC-AC Converter Based on Dual Mode Modulation of Variable Frequency and Phase Shift. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(21): 6865-6876.

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