ZHCUD04 设计指南 | 德州仪器 TI.com.cn

ZHCUD04 May 2025

在具有半桥的固定频率 DAB 转换器中，设计人员有两种控制值：内部相移和基本相移。控制算法需要设计为向电网提供基准电流，因此基本相移通常取决于输出电流要求和内部相移。内部相移具有一些自由度来优化 ZVS 行为。[2] 中考虑了此参考设计的优化控制方法。

在该优化的控制方法中，扩展相移 (EPS) 通过两种运行模式实现。在模式 III 中，V_P 的正脉冲完全位于正 V_S 脉冲内部。在模式 II 中，V_P 的正脉冲与正负 V_S 脉冲重叠。模式 I 有 V_P 的正脉冲且完全位于负 V_S 脉冲内部。模式 I 有很大的循环电流，因此未予以考虑。

图 3-11 工作模式 III

模式 III 具有较小的 RMS 电流，更适合用于轻负载，而模式 II 则用于高负载。

图 3-12 工作模式 II

D1 的范围为内部相移（范围是 0 至 0.5），其中 0 表示最大初级侧脉冲宽度，0.5 表示最小初级侧脉冲宽度。D2 是基本相移（范围是 –0.25 至 +0.25），其中正值表示功率从直流侧传输至向交流侧。

根据工作模式的定义，方程式 1 显示了唯一可能的工作模式 III。

方程式 1.

D 1 > 2 \times |D 2|

方程式 2 定义了归一化输出电流。

方程式 2.

I_{N} = \frac{N \times V_{D C}}{4 \times f_{s w} \times L_{K}}

其中

基本相移 D2 用于调节输出电流，因此 D2 由电流基准和 D1 预定义。

方程式 3.

\{\begin{matrix} {D 2}_{I I} = \frac{1 - \sqrt{1 - 4 \times M - 4 \times {D 1}^{2}}}{4} \times s g n (I_{R E F}) \\ {D 2}_{I I I} = \frac{M}{2 \times (1 - 2 \times D 1)} \times s g n (I_{R E F}) \end{matrix}

其中

内部相移可根据 ZVS 要求计算得出。控制方法将 ZVS 要求定义为方程式 4 中初级侧滞后臂的零电流轨迹。初级侧超前臂始终可以实现 ZVS，因此不考虑初级侧。

方程式 4.

\{\begin{matrix} {D 1}_{I I, P R I} = \frac{(2 - m) - \sqrt{{(2 + m)}^{2} - (2 \times m^{2} - (2 \times m^{2} + 4 \times m + 4) \times (1 + m^{2} \times (M - 0.25)))}}{2 \times m^{2} + 4 \times m + 4} \\ {D 1}_{I I I, P R I} = 0.25 - 0.5 \times \sqrt{|\frac{m \times M}{1 - 0.5 \times m}|} \end{matrix}

其中

如果满足方程式 5 中的要求，转换器可以在模式 III 下工作以实现 ZVS。在这种情况下，D1_III,PRI 用作初级侧要求。否则，转换器需要在模式 II 下工作并使用 D1_II,PRI。如果控制算法保持 D1 < D1_PRI，则初级侧滞后臂可以实现 ZVS。

方程式 5.

{D 1}_{P R I} = \{\begin{matrix} {D 1}_{I I, P R I}, M \geq {D 1}_{I I I, P R I} \times (1 - 2 \times {D 1}_{I I I, P R I}) \\ {D 1}_{I I I, P R I}, o t h e r w i s e \end{matrix}

方程式 6 定义了次级侧开关的 ZVS 要求。

方程式 6.

\{\begin{matrix} {D 1}_{I I, S E C} = \sqrt{m a x \{0, 0.25 - M - \frac{m^{2}}{16}\}} \\ {D 1}_{I I I, S E C} = 0.5 - 0.25 \times m \end{matrix}

方程式 7.

{D 1}_{S E C} = \{\begin{matrix} {D 1}_{I I, S E C}, M \geq {D 1}_{I I I, S E C} \times (1 - 2 \times {D 1}_{I I I, S E C}) \\ {D 1}_{I I I, S E C}, o t h e r w i s e \end{matrix}

同样，如果满足方程式 7 中的要求，则 D1_III,SEC 值用作次级侧要求，否则使用 D1 _II,SEC 值。如果控制算法保持 D1 > D1_SEC，则初级侧滞后臂可以实现 ZVS。

图 3-13 和图 3-14 显示了电网周期内计算得出的 ZVS 要求曲线。

图 3-13 高负载条件下随交流半波变化的 ZVS 曲线

图 3-14 中等负载条件下随交流半波变化的 ZVS 曲线

如轨迹所示，在电网正弦波开始时，转换器在模式 III 下启动，然后由于电压增益和负载增加而转换至模式 II。

在轻负载条件下，在过零时可以轻松实现初级侧和次级侧的零电压开关 (ZVS)，但难以在接近电网振幅电压时实现 ZVS。相反，在重负载条件下，ZVS 要求初级侧和次级侧之间距离变得更窄，因此难以在过零时实现 ZVS。然而，在这种情况下，在电网振幅电压附近实现 ZVS 变得更容易些。

有两个 D1 和 D2 的交叉点，这是模式转换点。由于此时关断电流非常接近 0，因此初级滞后和次级侧无法实现 ZVS。

方程式 8 计算控制器如何根据这两个要求使用加权和来计算 D1 的最终值。

方程式 8.

D 1 = α \times {D 1}_{P R I} + (1 - α) \times {D 1}_{S E C}, α \in (0, 1)

其中

加权系数可用于平衡初级侧与次级侧的行为。如果该系数接近 1，最终的 D1 会更接近初级 ZVS 要求，为初级侧实现 ZVS 提供更小的空间，同时在次级侧为 ZVS 提供更多的空间。通常，高压开关上的 C_OSS 存储能量要高得多，从效率的角度看，在 α 值较高的情况下实现平衡可获得稍好一些的结果。