基于开关瞬态波形提取高频 隔离变压器漏感参数-袁立强.pdf

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1、2017 年 7 月 电 工 技 术 学 报 Vol.32 No. 14 第 32 卷第 14 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul. 2017 DOI: 10.19595/ki.1000-6753.tces.170631 基于开关瞬态波形提取高频 隔离变压器漏感参数 袁立强 谷 庆 李 婧 孙建宁 张春朋 （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） 摘要 双有源桥（DAB）DC-DC变换器中的高频隔离变压器是电能路由器的核心器件之一，在整个系统中承担着电气隔离、电压变换和功率双向传

2、输的功能，对高频隔离变压器的漏感参数进行精确提取具有重要意义。而基于传统变压器实验的漏感测量方法不能很好地匹配变压器的实际工作波形，为此，提出一种基于DAB移相控制实验的提取漏感方法。基于该方法，在不同的工作频率和电压条件下，对待测变压器进行了多组实验，实验结果证明了该方法的有效性。最后分析总结了变压器漏感和工作频率、电压幅值、移相比等因素的变化关系。 关键词：双有源桥DC-DC变换器 高频隔离变压器 移相控制 工作频率 中图分类号： TM46 Leakage Inductance Extraction of High Frequency Isolation Transformer Based

3、 on Switching Transient Waveform Yuan Liqiang Gu Qing Li Jing Sun Jianning Zhang Chunpeng （ State Key Lab of Control and Simulation of Power System and Generation Equipment Department of Electrical Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China） Abstract The high frequency transformer (HFT) in

4、 dual-active-bridge (DAB) DC-DC converter plays a crucial role in energy router, which bears the functions of galvanic isolation, voltage conversion and bi-directional power flow capability. It is very important to extract the leakage inductance of HFT accurately. However, the results measured by tr

5、aditional transformer tests fail to match the actual working waveforms of HFT in DAB. Therefore, this paper proposes a novel leakage inductance extraction method based on the phase shift control of DAB. With the method, the experiments under different conditions are implemented on a DAB platform to

6、extract the HFT leakage inductance. The experimental results have verified the proposed method. In addition, the impacts of working frequency, input voltage and phase shift ratio of DAB on the HFT leakage inductance are studied. Keywords： Dual-active-bridge DC-DC converter, high frequency transforme

7、r (HFT), phase shift control, working frequency 0 引言 为了应对全球能源危机和日益严峻的环境问题、抑制全球气候的变化，各国政府都在积极探索新能源发电技术和分布式电源系统1。分布式电源系统的发展使得传统的配电由单纯的供电功能扩展出发电功能，灵活性增强2。除了少数分布式电源系统直接用来就地供给用户以外，大多数需要实现与传统配电网的并网，而并网过程的实现一般需要国家自然科学基金重大项目资助（ 51490680， 51490683）。 收稿日期 2017-04-30 改稿日期 2017-05-25 万方数据 第 32 卷第 14 期 袁立强等 基于开关

8、瞬态波形提取高频隔离变压器漏感参数 9 借助于电力电子装置3。带有高频隔离变压器的电能路由器是一种集成融合了信息技术和电力电子变换技术的装置，能够实现能量的双向传输和高效利用4，是分布式电源系统并网的理想选择，因此近年来受到越来越广泛的关注。 电能路由器的拓扑形式多种多样，其中具有代表性的是美国北卡罗来纳州立大学提出的未来可再生能源传输和管理系统（ Future Renewable Electric Energy Delivery and Management, FREEDM）5。电能路由器的核心环节本质上是一台多端口电力电子变压器，典型的电力电子变压器拓扑主要分为基于模块化多电平变换器的结构

9、6和基于级联 H 桥的结构7。基于级联 H 桥结构的电力电子变压器典型拓扑如图 1 所示，主要由输入整流器、中间双有源桥（ Dual-Active Bridge, DAB） DC-DC 变换器和输出逆变器三级构成。 DAB 是一个由铜、铁和半导体构成的组合系统，在整个电力电子变压器中承担着电气隔离、电压变换和功率双向传输等功能8-10，而高频隔离变压器则是 DAB 的核心器件之一。当 DAB采用移相控制时，不论是单重移相控制、拓展移相控制、双重移相控制，还是三重移相控制，其最大可传输功率都是一定的，并且直接受控于高频变压器的漏感大小11。因此，在设计变压器时，需要根据最大传输功率的需求，对变压

10、器的漏感进行精确设计。换句话说，对于一个已经设计好的变压器，需要对其漏感进行精确检测，以此判断该变压器能 图 1 基于级联 H 桥结构的电力电子变压器拓扑 Fig.1 The topology of solid state transformer based on cascaded H-bridge 否满足设计者对于 DAB 最大可传输功率的要求。高频变压器的漏感除了直接影响 DAB 的最大可传输功率以外，还是一些先进控制算法的输入参数。例如，为了提高 DAB 电流内环的带宽，文献 12提出了一种预测电流控制，而该控制方法依赖于变压器漏感的精确提取。综上所述，对电能路由器中高频隔离变压器的漏感

11、进行精确提取具有重要理论意义和使用价值。 目前最常见的变压器参数测试方法是基于变压器实验实现的，即通过变压器开路实验测量其等效励磁阻抗，通过变压器短路实验测量其等效漏磁阻抗10,13。采用该方法测量变压器参数时，施加在变压器上的电压信号通常为正弦波，而实际上电能路由器中的变压器是由高频方波信号驱动的。除此以外，高频变压器中的磁场分布还和 DAB 的工作条件以及控制方法有关。因此，单纯通过变压器实验测量其漏感等参数是无法满足高精度需求的，对变压器漏感参数的提取需要尽可能地模拟其实际的工作条件。 基于上述考虑，本文提出一种高频变压器漏感参数的实验提取方法。该方法将变压器直接应用于DAB 实验中，利

12、用实验过程中变压器一次、二次电压、电流的测量结果对变压器的漏感进行计算。通过该方法测量出来的漏感，能够最大限度地模拟变压器的实际工作条件。作为比较，本文同时介绍了变压器开路实验和短路实验的基本原理，并给出了通过变压器实验得到的漏感测量结果。 在此基础上，结合 DAB 的实验波形，对通过变压器实验测得的漏感结果进行分析，指出其测量精度的缺陷。最后，对电能路由器中高频隔离变压器的漏感变化规律进行了总结。 1 基于变压器实验的漏感提取方法 变压器的开路实验和短路实验的基本原理是以变压器的 T 型等效电路为基本拓扑结构， 如图 2 所示。图中， Rs1+jLs1为一次侧等效漏磁阻抗， Rs2+jLs2

13、为等效到一次侧的二次侧漏磁阻抗， Rm+jLm为等 图 2 变压器的 T 型等效电路 Fig.2 T-type equivalent circuit of transformer 万方数据 10 电 工 技 术 学 报 2017 年 7 月 效到一次侧的励磁阻抗。变压器开路实验和短路实验的原理电路如图 3 所示，图中均以测量等效到一次侧的参数为例。 （ a）开路实验 （ b）短路实验 图 3 变压器开路实验和短路实验的原理电路 Fig.3 Schematic diagrams of transformer open-circuit experiment and short-circuit ex

14、periment 考虑到变压器的等效励磁阻抗一般远大于变压器一次、二次侧的等效漏磁阻抗，即 mmmmjjRLRL+ s2 s2s1 s1jjRLRL+ +（ 1）因此，结合图 2 和图 3，以等效到一次侧的参数为例，开路实验时的测量结果为 mp m m ms1 s1 mj( ) jZ RR LL R L=+ + + （ 2） 短路实验时的测量结果为 sp s1 ms1s1 s122sms2 s2s2 s2s2 s21s1j ( j ) /( j )j( )j( )Z RLRLRLRR LLRnR LnL=+ + + + +=+ + + （ 3）式中， Rs2和 Ls2分别为变压器二次侧漏阻和漏

15、感； n为变压器一次、二次侧的匝数比。 同理，等效到二次侧的测量结果为 mmms22jRLZnn+ （ 4） s1 s122ss s2 s2jRLZ RLnn+ + （ 5） 根据式（ 2）式（ 5）的测量结果，即可得到等效到一次、 二次侧的变压器励磁阻抗和漏磁阻抗。需要注意的是，虽然式（ 3）和式（ 5）测得的漏感为变压器一次、二次侧总的漏感，但是考虑到 DAB的功率传输特性正是受控于变压器一次、二次侧漏感之和，因此无需再对一次、二次侧漏感进行分离。 根据式（ 2）式（ 5）的测量结果还可计算出变压器一次、二次侧的匝数比为 mp spms ssZ ZnZ Z （ 6） 2 基于 DAB 移相

16、控制的漏感提取方法 2.1 DAB 的移相控制原理 DAB 是电能路由器的重要组成部分， 其拓扑结构如图 4 所示，主要由一次侧 H1桥、高频变压器和二次侧 H2桥三部分组成，图中的电感 Ls为变压器的漏感和附加电感之和。 图 4 DAB 的拓扑结构图 Fig.4 The topology of DAB 移相控制是目前最常用的 DAB 控制方法，包括单重移相控制、拓展移相控制、双重移相控制和三重移相控制14，其中单重移相控制因为原理简单、实施方便，得到了广泛的应用。单重移相控制下 DAB 的主要波形如图 5 所示，一次、二次侧 H 桥 图 5 单重移相控制下 DAB 的主要波形 Fig.5 T

17、he main waveforms of DAB under single phase shift control 万方数据 第 32 卷第 14 期 袁立强等 基于开关瞬态波形提取高频隔离变压器漏感参数 11 一个桥臂的两个开关驱动互锁， 一次侧 H 桥开关 S1和 S4驱动同步、 S2和 S3驱动同步，二次侧 H 桥开关 Q1和 Q4驱动同步、 Q2和 Q3驱动同步，而 S1和Q1的驱动信号之间存在一个相位差，定义该相位差与半个开关周期的比值为一次、二次侧 H 桥之间的移相比 D。 在如图 5 所示的开关驱动信号作用下，一次、二次侧 H 桥分别产生一个占空比为 50%的方波电压uh1和 u

18、h2，其中 uh2为折算到一次侧的二次侧 H 桥输出电压。 uh1和 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, t2的半个周期内， DAB 的工作状态可细分为三个不同的模态，具体模态分析如图 6 所示，下面对其进行详细说明。 （ a）模态 1 （ b）模态 2 （ c）模态 3 图 6 DAB 半个周期的模态分析 Fig.6 Modal analysis of DAB in half a cycle （ 1）模态 1。在 t0, t01时间段内，电流 iL为负，一次侧

19、H1桥开关 S1和 S4处于开通状态、 S2和 S3处于断开状态，因此电流通路为：变压器电感 LsS1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；二次侧 H2桥开关 Q2和Q3处于开通状态、 Q1和 Q4处于断开状态，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。 （ 2）模态 2。 t01时刻，电流 iL过零，所有开关管的开关状态保持不变。因此在 t01, t1时间段内，一次侧 H1桥的电流通路为：变压器 S4电容 C1S1电感 Ls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 Q

20、2电容 C2 Q3变压器， H2桥的输出电压为 nU2。因此， t1时刻电感电流为 1210 hss() ()LLUnUit it DTL+=+ （ 7） （ 3）模态 3。在 t1, t2时间段内，一次侧 H1桥的电流通路保持模态 2 的状态不变。 t1时刻，开关Q1和 Q4导通、 Q2和 Q3关断，二次侧 H2桥的电流从 Q2和 Q3换流到 Q1和 Q4的反并联二极管中，因此电流通路为：变压器 Q1反并联二极管电容C2 Q4反并联二极管变压器， H2桥的输出电压为nU2。因此， t2时刻电感电流为 1221 hss() () (1 )LLUnUit it DTL=+ （ 8） 考虑到稳态时

21、电感电流 iL的波形上、下半波对称，即 20() ()LLit it= （ 9） 联立式（ 7）式（ 9）便可求解单重移相控制下 DAB 各时间点的电流值。 2.2 漏感的提取方法 在图 4 的 DAB 中，对于一个已经设计好的变压器，一般有两个未知参量待以测试，即变压器的匝比 n 和漏感 Ls。根据 2.1 节的分析结果，在 t0, t1时间段内，电感电流的变化率为 121sUnUIL+= （ 10） 在 t1, t2时间段内，电感电流的变化率为 122sUnUIL= （ 11） 定义 t0, t1时间段内 H1桥输出电压 uh1的平均测量值为 U11， H2桥输出电压 ul的平均测量值为

22、U21；t1, t2时间段内 H1桥输出电压 uh1的平均测量值为U12， H2桥输出电压 ul的平均测量值为 U22。 则式 （ 10）和式（ 11）可改写成矩阵形式，即 万方数据 12 电 工 技 术 学 报 2017 年 7 月 21 1 11s22 2 12nUI ULUI U =（ 12） 需要注意的是， U21本身是一个负值，因此从式（ 10）推导式（ 12）时， U21的符号将发生改变。 在 t0, t1和 t1, t2时间段内，电感电流 iL线性变化，可描述为 Liatb=+ （ 13） 式中， a 为 t0, t1或 t1, t2时间段内电流的线性变化率； b 为对应的电流波

23、形与纵轴的交点值。 利用实验测得不同时刻的电流数据，可将式（ 13）改写成矩阵形式，即 1111Lab=1ti （ 14） 2222Lab=1ti （ 15） 式中， t1和 t2为时间列向量； 1 为单位列向量； iL1和 iL2为电流列向量；下标 1 表示 t0, t1时间段内的电流信息，下标 2 表示 t1, t2时间段内的电流信息。 综上，利用实验过程中测得的变压器一次、二次侧电压、电流数据，联立式（ 12） 、式（ 14）和式（ 15） ，即可求得变压器的两个未知参量 n 和 Ls。 3 实验结果与分析 3.1 基于变压器实验的测量结果 根据第 1 节变压器实验的基本原理，利用阻抗分

24、析仪对一台待测变压器进行测量。阻抗分析仪采用 WAYNE KERR 公司生产的 WK6500B， 如图 7 所示。待测变压器在移相比 D=0.3 时设计的可传输功率为 40kW，匝比设计为 2 1，一 次 /二次侧工作电压为 700V/350V 方波，工作频率 20kHz，铁心材料为纳米晶，其结构示意图和实物图如图 8 所示。 图 7 WK6500B 阻抗分析仪 Fig.7 The WK6500B impedance analyzer 变压器二次侧短路时，一次侧测得的电感和电阻随频率变化曲线如图 9a 所示； 变压器二次侧开路时，一次侧测得的电感和电阻随频率变化曲线如图9b 所示；变压器一次侧

25、短路时，二次侧测得的电感和电阻随频率变化曲线如图 9c 所示； 变压器一次侧 （ a）结构示意图 （ b）实物图 图 8 待测变压器的结构示意图和实物图 Fig.8 The structural diagram and physical map of the tested transformer （ a）一次侧等效漏感和电阻 （ b）一次侧等效励磁电感和电阻 （ c）二次侧等效漏感和电阻 （ d）二次侧等效励磁电感和电阻 图 9 利用阻抗分析仪测得的变压器参数 Fig.9 The parameters of HFT tested by impedance analyzer 开路时，二次侧测得的

26、电感和电阻随频率变化曲线如图 9d 所示。 考虑到该变压器的额定工作频率为 20kHz，取图 9 中 20kHz 时阻抗分析仪测得的变压器参数见 表 1。从表中可以得出，被测变压器在 20kHz 时等效到一次侧的漏感为 78.3H，漏阻为 0.46，励磁电感为 29.44mH，励磁电阻为 1.01k；等效到二次侧的漏感为 19.5H，漏阻为 0.12，励磁电感为7.46mH，励磁电阻为 0.28k。根据式（ 6） ，实验测 万方数据 第 32 卷第 14 期 袁立强等 基于开关瞬态波形提取高频隔离变压器漏感参数 13 表 1 20kHz 时阻抗分析仪测得的变压器参数 Tab.1 The par

27、ameters of transformer tested by impedance analyzer in 20kHz 工况 电感 /mH 电阻 / 二次侧短路，测一次侧 0.078 3 0.46 一次侧短路，测二次侧 0.019 5 0.12 二次侧开路，测一次侧 29.44 1 010 一次侧开路，测二次侧 7.46 280 得变压器的匝比 n =2。 3.2 变压器实验测量结果的分析 若忽略变压器中的各项损耗，则图 2 所示的变压器 T 型等效电路可以简化为如图 10 所示的电路。当考虑 Lm的影响时，根据叠加定理，电感 Ls1上的电压为 uh1和 nul分别单独作用时的效果之和，即

28、mh122ms1 s1s1 ls1 s2 s 2m1s/ /LLLLuunuL L nL L L nL=+（ 16） 图 10 忽略损耗时的变压器 T 型等效电路 Fig.10 T-type equivalent circuit of transformer ignoring losses 流过 Ls1的电流变化率为 2s1 s1 m l s222s1mhs1 s2 s11hs2d()d()LLiu LununLutLL L nL nLL+=+（ 17） 在 DAB 的移相控制实验中，变压器的电压、电流波形如图 11 所示， 对照图 5， 在 t1, t2时间段内， 图 11 实验中变压器的电

29、压、电流波形 Fig.11 Experimental waveforms of HFT in DAB 实验测得的电压 U1=600V、 U2=300V，电感电流变化率 diLs1/dt=4.8105A/s。若设定变压器的实际参数为 3.1 节测得的参数，即 n =2， Lm=29.4mH， Ls=Ls1+ n2Ls2=78.3H，则考虑 Lm的影响，而不将其视为无穷大时，式（ 17）可以简化为 22s1 s2 s222 2m s1 s2 s1 s2 m s1 s2h1 h1dd() ()LinLu nLutL L nL nLL L L nL=+ + （ 18） 当 n2Ls2=78.3H 时，

30、式（ 18）取得最大值为 2s1 s2 12max ms1 s2dd()LinLUtLL nL=+653678.3 10 6000.2 1029.4 10 78.3 10= 54.8 10 （ 19） 式（ 19）的计算结果表明，该变压器的实际匝比一定小于 2 1，采用变压器实验测得的相关参数不能很好地匹配变压器在 DAB 中的实验波形，这是由于变压器实验给出的测试条件和实际变压器在DAB 中的工作条件相差较大造成的。因此，接下来将直接利用 DAB 的实验波形对变压器的漏感参数进行提取。 3.3 基于 DAB 实验平台的测量结果 为了通过 DAB 实验测量高频变压器的漏感，搭建了 DAB 的实

31、验平台，如图 12 所示。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。 图 12 DAB 实验平台 Fig.12 DAB experimental platform 变压器的漏感和其磁场分布密切相关，而变压器的磁场分布主要受到工作频率以及加在变压器一次、二次电压影响。鉴于此，本文在不同的工作频率和电压条件下设计了 50 组实验， 以此探究变压器的漏感随着这些因素的变化规律。由于该变压器被万方数据 14 电 工 技 术 学 报 2017 年 7 月 设计用于一个电压比为 2 1 的系统，因此

32、实验过程中保持 DAB 一次、二次侧电压比始终为 2 1，以 此尽可能地模拟其实际工作状态。 实验主要在 5kHz、 10kHz 和 20kHz 三个频率点展开，在每个频率点下，再对不同的电压条件进行实验，此处的不同电压条件既包括施加在变压器一次、二次电压大小，也包括一次、二次电压的相位差，即 DAB 的移相比。将 50 组实验的波形置于同一幅图中，如图 13 所示。根据第 2 节基于 DAB 实验平台的漏感提取方法对上述实验波形进行数据处理，所得结果如图 14 所示。从图中可以看出，变压器的匝比测量值基本不随工作频率和电压的变化而变化，大约为 1.87 1；但是变压器的漏感会随着工作条件的改

33、变出现较大的变化， 在本文的 50 组实验下，漏感变化范围约为 65 75H。图 14b 表明，变压器漏感总体来说会随着工作频率的提高而增大。 为了更清楚地观察变压器的漏感随着电压幅值的变化关系，对图 14b 中 20kHz 的实验数据做进一 图 13 不同工作条件下的 DAB 实验波形 Fig.13 Experimental waveforms of DAB under different conditions （ a）变压器的匝比 （ b）变压器的漏感 图 14 基于 DAB 实验平台测得的变压器参数 Fig.14 Parameters of HFT extracted by the DA

34、B experimental platform 步分析，图 15 给出了移相比 D 分别为 0.05 和 0.06时，漏感随电压幅值的变化曲线。从图中可以看出，漏感和电压幅值的关系比较复杂，没有明显的变化规律，但总的来说，随着电压的增大，变压器的漏感先增大，达到最大值后再逐渐减小。 图 15 变压器漏感与电压幅值的变化关系 Fig.15 The relationship between leakage inductance of HFT and voltage amplitude 类似地，为了研究变压器的漏感和移相比之间的关系， 图 16 给出了 U1分别为 150V、 250V 和 350V

35、时，漏感随着移相比的变化曲线。从图中可以看出，变压器的漏感随着 DAB 移相比的增加而增大。 4 结论 本文提出了一种基于开关瞬态波形提取高频隔离变压器漏感参数的方法。该方法基于 DAB 的移相控制原理，并利用 DAB 的移相控制波形进行参数的计算。作为比较，同时介绍了基于变压器开路实 万方数据 第 32 卷第 14 期 袁立强等 基于开关瞬态波形提取高频隔离变压器漏感参数 15 图 16 变压器漏感与移相比的变化关系 Fig.16 The relationship between leakage inductance of HFT and phase shift ratio 验和短路实验的传

36、统测量方法。对一台实际变压器的参数进行了测试，测试结果表明，传统变压器实验由于无法模拟高频变压器在 DAB 中的实际工作条件，导致其测量结果与 DAB 实验波形不相符。为此搭建了 DAB 实验平台，按照本文提出的基于DAB 实验的测量方法对该变压器进行了 50 组实验测试。结果表明，变压器的匝比基本不随其工作条件的变化而改变；但是变压器的漏感会随着工作频率的提高而增大，同时会随着 DAB 移相比的增加而增大，而漏感和电压幅值的关系比较复杂，没有明显的规律，总的来说随着电压幅值的增大，漏感将先增大而后减小。由于本文提出的高频变压器漏感提取方法，直接利用了变压器的实际工作电压和电流数据，具有较高的

37、测量精度，可应用于一些先进控制算法的参数在线辨识等应用领域。 参考文献 1 Chen Lei, Sun Qiuye, Zhao Lin, et al. Design of a novel energy router and its application in energy internetC/Chinese Automation Congress (CAC), Wuhan, China, 2015: 1462-1467. 2 宋强 , 赵彪 , 刘文华 , 等 . 智能电网中的新一代高频隔离功率转换技术 J. 中国电机工程学报 , 2014, 34(36): 6369-6379. Song

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