雙重移相控制的雙向全橋DC - DC變換器及其功率回流特性分

1、 48 中 國 電 機 工 程 學 報 第 32 卷 建了實驗樣機，樣機主要參數(shù)如 下：串聯(lián)電感 比 n = 2，開關頻率 fs = 10 kHz。圖 7 給出了實驗中 所采用的控制框圖，主要是給定 D1，閉環(huán)調節(jié) D2 以保證輸出電壓恒定。 輸出電壓控制器 S1S4 U2ref D2 PI + - U2 PWM 脈寬調制 Q1Q4 D2 給定 Ph1(200 W/格 Ph1(200 W/格 L1 = 0.2 mH，直流電容 C1 = C2 = 2 200 mF，變壓器變 Ph1 = 0 t (50 ms/格 (a 傳統(tǒng)移相控制 圖 7 控制框圖 Fig. 7 Control block di

2、agram 雙重移相控制下，輸入電壓為 120 V，外移相 比 D2 固定為 0.4，開環(huán)調整內移相比 D1 由 0 變化 得到傳輸功率 P 的變化曲線如圖 8 所示。 至 0.4 時， 從圖中可以看出，在外移相比固定時，可以通過調 節(jié)內移相比來改變輸出功率，且輸出功率隨著內移 相比的增大而減小。這使得功率調節(jié)范圍擴大，靈 活性增強。 260 Ph1 = 0 t (50 ms/格 (b 雙重移相控制， D1 = 0.2 Ph1(200 W/格 Ph1 = 0 200 P/W 140 t (50 ms/格 (c 雙重移相控制， D1 = 0.3 80 0.0 圖9 0.1 0.2 D1 0.3

3、0.4 U1 側逆變橋輸出功率 Ph1 的瞬時波形 of U1 side Fig. 9 Transient waveforms of output power of H-bridge 圖 8 傳輸功率隨內移相比的變化曲線 Fig. 8 Curve of transmission power varied with inner phase-shifting ratio 600 400 當輸入電壓為 120 V，閉環(huán)控制輸出電壓為 30 V，輸出功率為 130 W 時，兩種控制方式下 U1 側逆變橋輸出功率 Ph1 的瞬時波形如圖 9 所示。 圖 10 為兩種控制方式下，回流功率隨輸入電壓變 化的

4、對比曲線。 從圖中可以看出， 兩種控制方式下， 回流功率均隨輸入電壓的增大( 即電壓調節(jié)比 k = U1/(nU2增大而增大；但是雙重移相控制始終比傳 統(tǒng)移相控制的回流功率要小，進而也減小了變換器 功率環(huán)流， 且選擇不同的內移相比， 回流功率不同。 當輸入電壓為 120 V，閉環(huán)控制輸出電壓為 200 傳統(tǒng)移相 雙重移相 D1 = 0.2 雙重移相 D1 = 0.3 100 120 140 160 180 200 U1/V Pcir/W 0 60 80 圖 10 回流功率隨輸入電壓的變化曲線 Fig. 10 Curve of backflow power varied with input v

5、oltage 輸入電壓變化的對比曲線。從圖中可以看出，兩種 控制方式下， 電流應力均隨輸入電壓的增大(即電壓 調節(jié)比 k = U1 / (nU2增大而增大；但是雙重移相控 30 V，輸出功率為 130 W 時，兩種控制方式下的全 橋逆變輸出電壓 uh1、 uh2 及電感 L1 電流 iL 的波形如 圖 11 所示。圖 12 為兩種控制方式下，電流應力隨 制始終比傳統(tǒng)移相控制的電流應力要小，且選擇不 同的內移相比，電流應力不同。 第 12 期 uh1, uh2(50 V/格 D uh1 趙彪等：雙重移相控制的雙向全橋 DC-DC 變換器及其功率回流特性分析 49 了功率調節(jié)的靈活性。 iL 2）

6、減小了變換器的功率環(huán)流，從而減小了變 換器的損耗，提高了變換效率。 uh2 iL(2.5 A/格 3）雙重移相控制原理簡單，實現(xiàn)容易，擴展 了雙向全橋 DC-DC 變換器的控制思路。 t (50 ms/格 參考文獻 1 Jain M，Jain P K，Daniele MA bi-directional DC-DC converter topology for low power applicationJIEEE iL (a 傳統(tǒng)移相控制 uh1, uh2(50 V/格 D1 uh1 Transactions on Power Electronics， 2000， 15(4： 595-600 2

7、 Schuch L ， Rech C Analysis and design of a new high-efficiency bi-directional ZVT converter for DC bus and battery bank interfaceC/IEEE APEC 02Dallas： IEEE，2002：567-573 3 趙彪，于慶廣，王立雯，等具有饋電功能的新型并網(wǎng) D2 uh2 iL(2.5 A/格 t (50 ms/格 UPS 系統(tǒng)及其分散邏輯控制策略J中國電機工程學 報，2011，31(31：85-93 Zhao Biao，Yu Qingguang，Wang Liw

8、en，et alNovel grid-connected UPS system with the electricity feedback iL (b 雙重移相控制， D1 = 0.2 uh1, uh2(50 V/格 D1 uh1 D2 uh2 function and its distributed logic control strategyJ Proceedings of the CSEE ， 2011 ， 31(31 ： 85-93(in Chinese 4 Huang J C，Li W LA bidirectional DC-DC converter for fuel cell el

9、ectric vehicle driving systemJ IEEE Transactions on Power Electronics， 2006， 21(4： 950-958 5 Chen Gang，Lee Yim-Shu，Xu Dehong，et alA novel soft-switching and low-conduction-loss bi-directional DC-DC converterC/Proceedings of IPEMCBeijing， China：IEEE，2000：1166-1171 6 Wang Kunrong，Lee F C，Lai JOperatio

10、n principle of bi-directional full-bridge DC/DC converter with unified soft-switching scheme and soft-starting capabilityC/ iL(2.5 A/格 t (50 ms/格 (c 雙重移相控制， D1 = 0.3 圖 11 兩種控制方式下 uh1、uh2 及 iL 的實驗波形 Fig. 11 Experimental waveforms of uh1, uh2 and iL in both control methods 13 11 傳統(tǒng)移相 雙重移相 D1 = 0.2 Pro

11、ceedings of APEC New Orleans ： IEEE ， 2000 ： 111-118 7 Shigenori I，Hirofumi AA bidirectional isolated DC-DC converter as a core circuit of the next-generation medium-voltage power conversion systemJ IEEE Transactions on Power Electronics， 2007， 22(2： 535-542 8 董亦斌，吳峂，金新民，等雙向 DC/DC 變換器的拓 撲研究J中國電機工程學報

12、，2007，27(13：81-86 Dong Yibin，Wu Tong，Jin Xinmin，et al Study of bi-directional DC/DC converterJ Proceedings of the CSEE，2007，27(13：81-86(in Chinese 9 Chung I Y，Liu W X，Schoder K，et alIntegration of a bi-directional DC-DC converter model into a real-time system simulation of a shipboard medium voltage

13、 DC systemJ International Journal of Electric Power Systems Research，2011，81(4：1051-1059 10 趙彪，于慶廣，王立雯Z 源雙向 DC-DC 變換器及其 ILmax/A 9 7 5 3 60 80 雙重移相 D1 = 0.3 100 120 140 160 180 200 U1/V 圖 12 電流應力隨輸入電壓的變化曲線 Fig. 12 Curve of current stress varied with input voltage 5 結論 本文分析了傳統(tǒng)移相控制中存在的功率回流 現(xiàn)象，并在此基礎上提出了

14、一種雙重移相控制方 法。從理論分析和實驗結果，可以看到該控制方法 相比傳統(tǒng)移相控制具有以下特性： 1）擴大了變換器傳輸功率的調節(jié)范圍，增強 50 中 國 電 機 工 程 學 報 移相直通控制策略J 中國電機工程學報， 2011， 31(9： 43-49 Zhao Biao，Yu Qingguang，Wang LiwenA Z-source bi-directional DC/DC converter and its phase shifting-short control strategyJ Proceedings of the CSEE，2011，31(9：43-49(in Chinese

15、第 32 卷 modulation converter using a cycloconverter with bi-directional switchesJIET Power Electronics，2008， 1(2：275-286 16 Peng F Z，Li H，Su G J，et alA new ZVS bidirectional DC-DC converters for fuel cell and battery applicationJ IEEE Transactions on Power Electronics，2004，19(1： 54-65 17 Hua B，Chris

16、MEliminate reactive power and increase system efficiency of isolated converters bidirectional using novel dual-active-bridge DC-DC 11 趙川紅，徐德鴻，范海峰，等PWM 加相移控制的雙 向 DC/DC 變換器J 中國電機工程學報， 2003， 23(10： 72-77 Zhao Chuanhong， Xu Dehong， Fan Haifeng， et al A PWM plus phase-shift control bidirectional DC/DC co

17、nverterJProceedings of the CSEE，2003，23(10： 72-77(in Chinese 12 Xie Y H，Sun J，James S FPower flow characterization of a bidirectional galvanically isolated high-power DC/DC converter over a wide operating rangeJ IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25(1：54-65 13 Kheraluwala M N，Gascoigne R W，

18、Divan D M，et al Performance characterization of a high-power dual active bridge DC-to-DC converterJ IEEE Transactions on Industry Applications，1992，28(6：1294-1301 14 Liu D， Hui L A ZVS bi-directional DC-DC converter for multiple energy storage elementsJ IEEE Transactions on Power Electronics，2006，21(5：1531-1517 15 Hosseini S H，Sabahi M，Goharrizi A YMulti-function zero-voltage and zero-current switching phase shift dual-phase-shift controlJIEEE Transactions on Power Electronics，2008，23(6：2905-2914 18 Mi C， Bai H， Wang C， et al Opera