在DAB中的一种高效控制策略介绍

DAB的工作原理基于两个有源桥的控制策略，通过控制从直流侧到交流侧的功率传输，实现高效率的功率转换。在DAB中，两个桥的占空比通常保持在50%，功率流动是通过改变两个电桥之间的相位即相移(phase shift)而实现的。DAB的控制策略主要包括以下几个方面：相移控制：通过改变两个电桥之间的相位差，控制功率的流向和大小。电流控制：通过控制电桥的占空比，控制电流的大小和方向。电压控制：通过控制电桥的输出电压，控制负载的电压。频率控制：通过控制电桥的开关频率，控制输出电压的波形。

双有源桥模态是指在DAB中，两个有源桥的输出电压和电流都是正向的，即两个桥的输出功率方向相同。这种模态下，DAB的效率最高，但是实现起来比较困难。目前，实现双有源桥模态的方法主要有以下两种：直接控制法：通过控制两个电桥之间的相位差，使得两个电桥的输出电压和电流都是正向的。这种方法实现简单，但是需要精确的相位控制，对控制器的要求较高。间接控制法：通过在DAB中添加一个辅助电路，控制两个电桥之间的电压差，从而实现双有源桥模态。这种方法实现复杂，但是对控制器的要求较低。

双有源桥模态是DAB的一种高效控制策略，可以提高DAB的效率和性能。但是实现起来比较困难，需要根据具体应用场景选择合适的实现方法。本文介绍了DAB的控制策略和双有源桥模态的实现方法，希望能够对读者了解DAB的工作原理和应用有所帮助。DAB作为一种高效的隔离式双向DC-DC变换器，具有广泛的应用前景，未来将在更多领域中得到应用。

DAB(Dual Active Bridge，DAB)型的双向AC-DC变换器，具有电路结构简单、控制容易等优点。传统的DAB型双向AC-DC变换器通常采用移相调制策略，难以实现全范围软开关，开关损耗大，效率难以进一步提升。针对该问题，本文提出了一种基于临界电流模式(Boundary Current Mode，BCM)的调制策略，将移相和调频结合，实现所有开关管的零电压开通，减少了开通损耗。DAB控制策略‌(Dynamic Application Behavior Control Strategy)是一种对应用程序行为进行全面监控和控制的策略，旨在确保应用程序符合预设的规则和要求。其核心目的是优化资源使用、提升系统性能和用户体验。

‌全面监控和控制‌：DAB控制策略对应用程序的行为进行全面监控和控制，确保其符合预设的规则和要求。例如，限制应用程序对计算资源的使用、限制对网络带宽的占用、阻止不必要的后台任务等‌1。动态调整‌：根据应用程序在运行期间的行为和特征，动态地调整控制策略，以更好地优化资源的使用。例如，根据应用程序负载的波动动态调整资源分配，根据网络活动情况动态调整带宽控制策略等‌1。

‌自动适应‌：根据系统的实时性能以及应用程序的需求，自动适应控制策略，以提供最佳的用户体验。例如，动态调整应用程序的资源分配，根据处理能力和响应时间自动调整带宽占用的优先级等‌1。

DAB控制策略在多个领域中都有重要应用：

‌云计算环境‌：通过DAB控制策略优化云计算资源的使用效率，提升整体系统性能‌1。

‌移动应用‌：通过DAB控制策略优化移动应用的性能和用户体验，提升响应速度和应用流畅度‌1。

‌物联网设备‌：通过DAB控制策略优化物联网设备的管理和性能，确保设备的稳定运行和高效资源利用‌1。

‌分析应用程序的特点和目标‌：确定需要控制的行为和资源需求。

‌设计控制规则‌：基于应用程序的目标和需求，设计控制规则和规则集，用于指导DAB控制策略的实施。

‌嵌入监控和控制机制‌：在应用程序中嵌入监控和控制机制，用于实时获取应用程序行为和资源利用情况，并根据设计的规则进行调整。

‌持续监测‌：持续监测应用程序的运行状态，根据实际情况动态调整控制策略‌1。

常用的BDC变换器有Buck-Boost、Cuk、Sepic- Zeta、正激、反激、半桥、全桥等多种拓扑类型。其中，双有源全桥(Dual Active Bridge, DAB)变换器具有拓扑结构对称、双向功率传输、电气隔离、宽软开关范围、高功率密度和易于控制等优点，被普遍认为是双向高频功率转换中最有前途的功率变换器，已广泛应用于各种能量变换场合。将DAB应用于电动汽车驱动控制是一个颇具发展前景的选择[11-13]。

将DAB变换器置于电动汽车动力电池与电机逆变器之间，可以根据电机实时转速动态调节系统直流母线电压，提升电机驱动系统的能量变换效率。然而，同时也将面临两大挑战：①电机驱动系统直流母线电压的大范围变化会引起DAB变换器输入输出电压不匹配，导致其电流应力剧增、软开关丢失、损耗增加等问题并降低系统效率;②电动汽车行驶时反复的加减速及制动操作，巨大能量的释放与回收过程不仅要求DAB变换器能承受高电压、大电流冲击，还要求DAB具有较快的动态响应速度。因此，降低电流应力和提高动态响应性能是DAB应用于电动汽车电机驱动系统时需要解决的两大关键问题。

对于电流应力问题，DAB电流应力的大小与其移相调制策略有关，其电流应力的最小点可以近似认为是效率的最高点，因此可以通过对电流应力的优化实现对效率的优化[14]。

DAB常用的移相调制策略有单移相(Single Phase Shift, SPS)、扩展移相(Extended Phase Shift, EPS)、双重移相(Double Phase Shift, DPS)和三重移相(Triple Phase Shift, TPS)等。SPS调制通过改变左右H桥输出电压间的相位差来调节传输功率大小和方向，实现简单，但是由于只有一个控制自由度，当DAB输入输出电压不匹配时，其电流应力将显著增大并丢失软开关特性，导致系统效率降低。EPS调制在单侧桥内添加额外的内移相角，拥有2个控制自由度，可以拓宽DAB的软开关范围、减小电流应力和回流功率，但是其正反两方向功率传输特性不同，电流应力优化算法也不一致，在功率传输方向切换时需要同步改变驱动信号，应用不 便[15-17]。DPS调制在双侧H桥同时增加内移相角，同样拥有2个控制自由度，在能量双向传输场合无需切换控制信号，且功率调节范围更宽，更适合于功率传输方向频繁切换的电机驱动控制应用[18-20]。TPS调制则在DPS调制的基础上可以控制两个内移相角的大小不相等，拥有3个控制自由度，能够获得更优的电流应力优化效果，但是其计算与优化过程过于复杂[21-24]。本文选择DPS作为DAB的移相调制策略。

DPS调制策略下，传输相同的功率存在无穷多种移相组合方式，不同组合方式的电流应力并不相同，寻找最小电流应力的过程即为电流应力优化。

传统电流应力优化一般采用分步法，将各个模态下的电流应力和功率方程联立并求导计算，最终获得最佳移相比。这种方法虽然能够求解出最佳移相比并降低电流应力，但是求解过程复杂且计算量较大，不利于工程应用[14]。固定输出功率下寻找最小电流应力的过程属于等式约束下的最优化求解问题，因此，可借助拉格朗日乘数法(Lagrange Multiplier Method, LMM)进行求解[25]。区别于传统电流应力优化方法，这类方法具有计算量小、计算过程简洁的优点。

对于动态响应性能问题，DAB变换器的动态响应性能取决于其具体控制策略。常用的控制策略有传统的PI控制[11]、负载电流前馈(Load Current Forward Feed, LCFF)控制[26]、滑模控制、模型预测控制(Model Predictive Control, MPC)[27-29]等。传统PI控制具有实现简单、适应性强等优点，但是其参数整定困难、快速性和准确性有所欠缺;负载电流前馈控制能够一定程度上提高DAB的动态响应性能;模型预测控制的动态控制性能更好、鲁棒性强，是传统控制策略的有效替代方案。

虽然模型预测控制已经广泛应用于电机控制器、并网逆变器等变流器的控制中，但由于DAB采用的移相调制方法与常规变流器采用的脉冲宽度调制(Pulse Width Module, PWM)方法有所不同，模型预测控制应用于DAB的相关研究尚不多见。

国内外已有的DAB模型预测控制大多基于SPS调制策略，没有应力优化特性。文献[27]提出了一种基于分组寻优的模型预测控制方法，能有效降低占空比穷举遍历的计算量，然而该方法仅针对单移相调制进行分析，只有一个控制自由度。文献[28]针对输出并联型DAB变换器动态响应慢及传输功率不均衡问题，提出一种模型预测控制策略及其功率均衡方法，该方法同样仅针对单移相调制策略，无法对电流应力进行优化。文献[29]提出一种基于扩展移相(EPS)的输出电压模型预测控制与梯度下降算法的混合控制策略，实现了回流功率优化，然而其控制方法不能直接用于DPS调制策略中，不适合于功率传输方向频繁切换的电机驱动控制应用场景。总之，上述关于DAB的模型预测控制相关研究要么不能处理DAB电流应力优化问题，要么不适合于电动汽车功率变换场景，亟待进一步深入研究。