隔離式雙向全橋DC_DC變換器的功率控制特性比較與分析_武琳_圖文

1、 184 電 工 技 術(shù) 學(xué) 報 2013 年 10 月 關(guān)斷。隨著負(fù)載電阻減小，開關(guān)管的關(guān)斷時刻的 電流在增大，意味著開關(guān)管的關(guān)斷損耗增大。在 同樣負(fù)載的情況下，諧振模式下的關(guān)斷電流更小。 圖 13 Fig.13 DC-DC 變換器仿真效率曲線 Efficiency curves simulation of DC-DC converter 5.2 實(shí)驗驗證 為了驗證理論分析的正確性，搭建了非諧振和 串聯(lián)諧振式兩種全橋 DC-DC 變換器的實(shí)驗樣機(jī)。 實(shí)驗參數(shù)與仿真完全一致。圖 14 和圖 15 為非諧振 開關(guān)模式下，在負(fù)載 Ro 分別為 8 和 4 時觀察到 的開關(guān)器件 S1 和 S 1 &

2、#180;的電壓 u S1 ， u S1 ´和電流 i r ， i r ´ 。 圖 11 Fig.11 諧振模式下，負(fù)載 8 時 u S1 、 u S1 、 i S1 、 i S1 、 i r 、 i r 的波形 Waveforms of u S1 , i S1, i S1 , i r , i r with 8 load at resonant state 圖 14 Fig.14 圖 12 Fig.12 諧振模式下，在負(fù)載 4 時 非諧振模式下，負(fù)載 8 時 u S1 、 u S1 、 i r 、 i r 波形 Waveforms of u S1 ， u S1 ， i r

3、， i r with 8 load at non-resonant state u S1 、 u S1 、 i S1 、 i S1 、 i r 、 i r 的波形 Waveforms of u S1 ， u S1 ， i S1 ， i S1 , i r, i r with 4 load u S1 i r at resonant state 為了驗證移相控制下諧振模式對系統(tǒng)效率的提 升 ， 仿 真 在 輸 出 功 率 分 別 為 0.66kW 、 0.83kW 、 1.25kW 和 2.50 kW 時，對變換器 在 非諧振和 LC 諧振兩種 不 同工況下 的 效率進(jìn)行 了 測算，如 圖 13 所

4、示。 第 28 卷第 10 期 武 琳等 隔離式雙向全橋 DC-DC 變換器的功率控制特性比較與分析 185 圖 15 非諧振模式下，負(fù)載 4 時 uS1、uS1、ir、ir 的波形 Fig.15 Waveforms of u S1 、 u S1 、 i r 、 i r with 4 load at non-resonant state 圖 17 諧振模式下，負(fù)載 4 時 u S1 、 u S1 、 i r 、 i r 波形 Fig.17 Waveforms of u S1 ， u S1 , i r , i r with 4 load at resonant state 圖 16 和圖 17

5、為諧振開關(guān)模式下，在負(fù)載 Ro 分別為 8 和 4 時的電壓 u S1 ， u S1´和通過變壓器的 由圖 14 17 的實(shí)驗波形可以看出： 在非諧振 和諧振兩種模式下，在 S1 和 S1´均能實(shí)現(xiàn)零電壓開 通；而在關(guān)斷時刻，只能強(qiáng)迫關(guān)斷；而隨著負(fù)載 的加重，諧振電流增大；在開關(guān)管的關(guān)斷時刻，關(guān) 斷電流在增大；在同樣負(fù)載的情況下，諧振式變 換器在移相控制中，開關(guān)器件的關(guān)斷電流更小。 在實(shí)際電路中，流過一次側(cè) H 橋的 S1´的電流 無法直接測量。以一次側(cè) H 橋的 S1 和二次側(cè) H 橋 下表通過實(shí)驗給出了測到的 2 種不同的 的 S1´為例， 開關(guān)模式

6、下，在不同負(fù)載下關(guān)斷時刻的諧振電流 ir 值。可以判斷該時刻的諧振電流 ir 值和流過一次側(cè) ir， 其諧振電感 Lr =30H ， 諧振電容 Cr =20 F， 電流 ir 、 諧振頻率 fr =6.5kHz。 H 橋的 S1´的電流值大小完全一致。 表 不同的負(fù)載和開關(guān)模式下開關(guān)管的關(guān)斷電流 Tab. Turn-off current of different load and switching mode 參 數(shù) 一次諧振電流 i r 8 13 7 4 35 10 二次諧振電流 i r 8 -8 -2 4 - 15 - 11 負(fù)載電阻 / W 非諧振狀態(tài)下諧振電流 /A 諧振狀

7、態(tài)下諧振電流 /A 圖 16 非諧振模式下，負(fù)載 8 時 uS1、uS1、ir、ir 的波形 Fig.16 Waveforms of u S1 ， u S1 , i r , i r with 8 load at non-resonant state 由表 1 的實(shí)驗數(shù)據(jù)可看出，采用了諧振的開關(guān) 模式后，開關(guān)管的關(guān)斷電流顯著減小，這說明諧振 模式，對減小器件的開關(guān)損耗是有效的。 為了驗證軟開關(guān)對系統(tǒng)效率的影響，實(shí)驗在輸 1.25kW 和 2.50kW 出功率分別為 0.66kW、 0.83kW、 時，對變換器在非諧振和諧振兩種不同工況下的效 率進(jìn)行了測算，如圖 18 所示。 由仿真和實(shí)驗的 DC

8、-DC 變換器效率曲線可以 看出，隨著功率的增大，變換器的效率也在增加； 和非諧振式 DC-DC 變換器相比，LC 諧振式變換器 的效率更高。 186 電 工 技 術(shù) 學(xué) 報 學(xué)報 , 2011, 26(8: 57-63. 2013 年 10 月 Du Chunshui, Zhang Chenghui, Chen Alian, et al. Digital control and implementation of photovoltaic soft-switching DC-DC converter with high-frequency step-up transformer isolat

9、ionJ. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(8: 57-63. 4 圖 18 Fig.18 DC-DC 變換器實(shí)驗效率曲線 劉海波, 毛承雄, 陸繼明, 等. 電子電力變壓器儲 能 系 統(tǒng) 及 其 最 優(yōu) 控 制 J. 電 工 技 術(shù) 學(xué) 報 , 2010, 25(3: 54-60. Liu Haibo, Mao Chengxiong, Lu Jiming, et al. Energy storage system of electronic power transformer and its optimal c

10、ontrolJ. Transactions of China Electrotechnical Society, 2010, 25(3: 54-60. 5 Demetriades G D, Nee H P. Small-signal analysis of the half-bridge soft-swithing uni-directional converter employing extended state-space averagingC. Power Electronics Specialists Conference, Rhodes, Greece, 2008: 385-391.

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13、38. 9 Ortiz G, Biela J, Bortis D, et al. 1 megawatt, 20 kHz, isolated, bidirectional 12kV to 1. 2kV DC-DC converter 3212-3219. 10 Robert Lenke, Florian Mura, Rik W De Doncker. Comparison dual-active of non-resonant and super-resonant high-power DC-DC ZVS-operated for renewable energy applicationsC.

14、Power Electronics Conference, Singapore, 2010: Conference, Rhodes, Greece, 2008: Efficiency curves of DC-DC converter 6 結(jié)論 本文通過對非諧振和 LC 諧振式兩種 DC-DC 變 換器的功率傳遞方式和控制特性的對比分析，結(jié)論 如下： （ 1 ）本文所提出的 DC-DC 變換器功率傳遞表 達(dá)式能夠統(tǒng)一描述在非諧振和諧振兩種不同拓?fù)涞?功率傳輸特點(diǎn)，有助于對 DC-DC 變換器的建模和 功率傳輸分析。該表達(dá)式表明在功率的傳輸特性上 無諧振式 DC-DC 變換器是諧振式 DC-DC

15、 變換器的 一個特例。 （ 2 ）在基于移相控制的功率控制策略下，諧振 式 DC-DC 變換器相比非諧振式 DC-DC 變換器，能 夠減小開關(guān)器件在關(guān)斷時刻的電流，從而減小關(guān)斷 損耗，提高變換器的效率。 參考文獻(xiàn) 1 張明銳 , 劉金輝 , 金鑫 . FREEDM 微型電網(wǎng)及其繼 電保護(hù)研究 J. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制 , 2011, 39(7: 95-99. Zhang Mingrui, Liu Jinhui, Jin Xin. Research on the FREEDM micro-grid and its relay protectionJ. Power System Protectio

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