雙向DCDC變換器研究

1、本科畢業(yè)設(shè)計（論文）雙向DC/DC變換器研究*燕 山 大 學(xué)2012年6月本科畢業(yè)設(shè)計（論文）雙向DC/DC變換器研究學(xué)院（系）：里仁學(xué)院電氣工程及其自動化 專 業(yè)： 應(yīng)用電子 學(xué)生 姓名： * 學(xué) 號：* 指導(dǎo) 教師： * 答辯 日期： 2012-6-17 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書學(xué)院：電氣工程學(xué)院 系級教學(xué)單位：電氣工程及其自動化 學(xué)號*學(xué)生姓名*專 業(yè)班 級里仁應(yīng)電2班題目題目名稱雙向DC/DC變換器研究題目性質(zhì)1.理工類：工程設(shè)計 （ ）；工程技術(shù)實驗研究型（ ）；理論研究型（ ）；計算機軟件型（ ）；綜合型（ ）2.管理類（ ）；3.外語類（ ）；4.藝術(shù)類（ ）題目類型1.畢

2、業(yè)設(shè)計（ ） 2.論文（ ）題目來源科研課題（ ） 生產(chǎn)實際（ ）自選題目（ ） 主要內(nèi)容掌握雙向DC/DC變換器的工作原理，實現(xiàn)高效變換；采用高頻變換拓撲及調(diào)制與控制策略，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，實現(xiàn)能量的雙向流動：主要內(nèi)容1 分析雙向變換器的工作原理2設(shè)計主電路參數(shù)3實現(xiàn)閉環(huán)控制4使用合適的軟件完成仿真基本要求1按電氣工程學(xué)院本科生學(xué)位論文撰寫規(guī)范的要求完成設(shè)計說明書一份（不少于2.4萬字），A0圖紙一張。2說明書及插圖一律打印，要求條理清晰、文筆流暢、圖形及文字符號符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。3按教研室指定的地點進行設(shè)計，嚴(yán)格按進度計劃完成畢業(yè)設(shè)計任務(wù)。參考資料1李立，劉剛.多電池組儲能系統(tǒng)雙向DC-D

3、C變換器的研制 電力系統(tǒng)保護與控制.2011,39(3):90-94.2 張方華.雙向DC-DC變換器的研究.南京航空航天大學(xué) 博士論文3 郭海濱，張崇巍，張興，等.一種應(yīng)用于光伏系統(tǒng)的雙向 DC/DC變換器.電力電子技術(shù).2010,44(6):51-52周 次第 1 4 周第5 8 周第9 12 周第1316周第1718周應(yīng)完成的內(nèi)容查閱相關(guān)資料，完成調(diào)研工作完成雙向DC/DC變換器工作原理分析及參數(shù)設(shè)計完成仿真電路搭建對仿真結(jié)果分析及參數(shù)優(yōu)化撰寫論文準(zhǔn)備答辯指導(dǎo)教師：*職稱：助教 教授 2011年12月 30 日系級教學(xué)單位審批： 年 月 日摘要摘要雙向DC/DC變換器是典型的“一機兩用”

4、設(shè)備，可實現(xiàn)能量的雙向傳輸，所以在需要能量雙向流動的場合，雙向DC/DC變換器的應(yīng)用可大幅度減輕系統(tǒng)的體積、重量和成本，有著重要的研究價值。本文主要研究了隔離型雙向全橋DC/DC變換器。本文首先介紹雙向DC/DC變換器的概念、應(yīng)用場合以及研究現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上分析了電壓一電流型雙向全橋DC/DC變換器：Buck充電模式時，高壓側(cè)開關(guān)管有驅(qū)動信號，低壓側(cè)開關(guān)管驅(qū)動信號封鎖，僅用功率開關(guān)管的體二極管整流；此時電路為電壓型全橋結(jié)構(gòu);Boost放電模式時，低壓側(cè)開關(guān)管有驅(qū)動信號，高壓側(cè)開關(guān)管驅(qū)動信號封鎖，僅用功率開關(guān)管的體二極管整流；此時電路為電流型全橋結(jié)構(gòu)。然后，分別分析了buck充電模式和boos

5、t放電模式的工作原理。最后利用PSpice軟件分別對buck充電模式和boost放電模式的開環(huán)和閉環(huán)進行了仿真，給出了各個部分的波形圖，最后的仿真結(jié)果和理論一致。關(guān)鍵詞：雙向DC/DC變換器 Buck充電模式 Boost放電模式 I Abstract AbstractAbstractBi- DC/DC Converter (BDC) was typical device as “two functions in one device”,with which energy can transfer in either direction. Therefore, in situations tha

6、t require two-way flow of energy, bi-directional DC / DC converter applications can greatly reduce the system size, weight and cost, has important research value.This paper studied the isolated bi-directional full-bridge DC / DC converter.This paper first introduces the concept of bi-directional DC

7、/ DC converter applications, as well as the status quo, and on this basis, the advantages and disadvantages of the voltage of a current bi-directional full-bridge DC / DC converter; Buck mode, the high pressure side switch tube drive signals, the low pressure side of the switch drive signal blockade

8、, the only power switch body diode rectifier; The circuit for voltage full-bridge structure. Boost mode, the low voltage side switching possession of the drive signal, the high pressure side of the switch drive signal blockade, only the power switch body diode rectifier; the circuit for current-mode

9、 full-bridge structure.Then analyzed the buck charging mode and boost the working principle of the discharge mode. Last buck charging mode and boost the discharge mode of open and closed loop simulation using PSpice software to various parts of the waveform, consistent with the final simulation resu

10、lts and theoretical.Keywords： Bi-directional DC / DC converters Buck charging mode Boost discharge mode 目錄摘要AbstractII第1章 緒論11.1 課題研究背景11.2 雙向DC/DC變換器的應(yīng)用11.2.1 不停電電源系統(tǒng)(UPS)11.2.2 電動汽車燃料電池電源系統(tǒng)31.2.3 航天電源系統(tǒng)41.3 雙向 DC/DC 變換器的現(xiàn)狀和發(fā)展51.3.1雙向直流變換器的現(xiàn)狀51.3.2 雙向直流變換器的發(fā)展61.4 本章小結(jié)7第2章 雙向全橋 DC/DC 變換器82.1.雙向 DC/D

11、C 變換器的原理82.2 雙向 DC/DC 變換器的構(gòu)成方法92.3 隔離型雙向全橋 DC/DC 變換器112.4 雙向全橋 DC/DC 變換器的工作原理122.4.1 充電模式工作原理142.4.2 放電模式工作原理162.5 開關(guān)管電壓尖峰問題162.6 本章小結(jié)18第3章雙向 DC/DC 變換器主電路元件設(shè)計193.1 引言193.2 高頻變壓器的設(shè)計193.2.1變壓器的設(shè)計主要包括：磁心選擇、匝數(shù)計算等。193.2.2 雙向DC一DC變換器中變壓器偏磁問題：203.3 電感Lf的設(shè)計223.4 功率開關(guān)管的選取233.5本章小結(jié)23第四章：DC/DC變換器的PSpice仿真254.1

12、 Buck充電電路簡化仿真圖254.2 Boost放電電路簡化仿真圖：274.3 Bcuk 充電模式閉環(huán)仿真304.4 Boost放電模式閉環(huán)仿真314.5本章小結(jié)33結(jié)論35參考文獻37致謝39附錄141附錄245附錄349附錄455 III第1章 緒論第1章 緒論1.1 課題研究背景DC/DC變換器是將一種直流電能轉(zhuǎn)換成另一種形式直流電能的技術(shù)，主要對電壓、電流實現(xiàn)變換。它在可再生能源、電力系統(tǒng)、交通、航天航空、計算機和通訊、家用電器、國防軍工、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。通常DC/DC變換器都是單向工作的，主要原因是因為功率開關(guān)(SCR，I GBT等)均為單向，并且主功率回路上都有單向

13、導(dǎo)電的二極管，所以能量只能單向流動。然而隨著科技和社會的發(fā)展，雙向直流不間斷電源系統(tǒng)、航空電源系統(tǒng)等場合對DC/DC變換器的需求逐漸增加。為了減輕系統(tǒng)的體積重量，節(jié)省成本，在電池的充放電系統(tǒng)、電動汽車、不間斷電源系統(tǒng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、航空電源系統(tǒng)等場合，雙向DC/DC變換器(Bi一direCtionalDC/DC Converter，BDC)獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。雙向DC/DC變換器是一種典型的“一機兩用”設(shè)備，單向DC/DC變換器只能將能量從一個方向傳到另一個方向，雙向 DC/DC變換器則可以實現(xiàn)能量的雙向傳輸，而且雙向DC/DC變換器就是DC/DC變換器的雙象限運行，功率不僅可以從輸入端

14、流向輸出端，也能從輸出端流向輸入端。它的輸入輸出電壓極性不變，但輸入、輸出電流的方向可以改變。理論上講，將單向DC/DC變換器中的單向開關(guān)和二極管改為雙向開關(guān)，則所有的單向拓撲均變?yōu)殡p向拓撲，加上合理的控制就能實現(xiàn)能量的雙向流動。雙向DC/DC變換器是電力電子變換器的一個新分支，它是伴隨著航空航天、電動汽車、電動船舶和新的無污染能源科技的發(fā)展而發(fā)展起來的。所以說需求是雙向DC/DC變換器發(fā)展的動力，隨著太陽能風(fēng)能、燃料電池等無污染發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和電動汽車技術(shù)的發(fā)展，會有更多的雙向DC/DC變換器拓撲被提出，雙向DC/DC變換器的應(yīng)用將進入新的發(fā)展階段。1.2 雙向DC/DC變換器的應(yīng)用1.2.

15、1 不停電電源系統(tǒng)(UPS)不停電電源系統(tǒng)包括直流輸出不停電電源系統(tǒng)和交流輸出不停電電源系統(tǒng)兩種。圖1-1 是一種 DC-UPS 的結(jié)構(gòu)框圖，由 AC/DC 變換器、電池組 BA 和雙向 DC/DC（Bi DC/DC）變換器構(gòu)成。其工作原理是，當(dāng)供電正常時，AC/DC 變換器將直流母線電壓調(diào)整到穩(wěn)態(tài)電壓，對直流母線上的負載供電，同時經(jīng) Bi- DC/DC 給電池組 BA 充電，若 BA 已充足電，則雙向變換器不進行功率轉(zhuǎn)換；當(dāng)供電電源掉電或出現(xiàn)故障時，雙向直流變換器將電池組電壓轉(zhuǎn)變成直流母線負載所需電壓，給負載供電，使負載不斷電。相比于直接并接適合直流母線電壓等級的蓄電池組構(gòu)成方式，加入雙向D

16、C/DC變換器有以下優(yōu)勢:(1)可以保證直流母線電壓恒定，不隨電池電壓的變化而變化;(2)可以優(yōu)化蓄電池的充放電管理，有利于延長蓄電池壽命和提高蓄電池利用率。圖1-1 DC-UPS電源系統(tǒng)雙向 DC/DC 變換器的功能是：供電正常時作為電池組的充電器，保持電池充足電狀態(tài)；在供電故障后將電池組電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髂妇€電壓，給負載供電。通常，電池組充電的功率較小，放電時功率較大，因此對 Bi- DC/DC 的功率等級應(yīng)依放電功率為準(zhǔn)。使用雙向 DC/DC 變換器的好處是，可以將電池的充放電的工作分離出來，用雙向DC/DC 變換器單獨處理蓄電池的充放電操作，更容易優(yōu)化充放電過程，對于延長蓄電池的壽命和提高

17、充電效率都有好處。1.2.2 電動汽車燃料電池電源系統(tǒng)燃料電池是一種可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置，在電動汽車中有很好的應(yīng)用前景。在燃料電池系統(tǒng)中含有一個壓縮機電機，正常運轉(zhuǎn)情況下，該壓縮機可由燃料電池輸出電壓供電，但在電動汽車啟動時，燃料電池電壓尚未建立起來，需要輔助電源來供電，提供壓縮機電機的驅(qū)動能量，給燃料電池創(chuàng)造啟動條件。輔助電源有兩個作用:在燃料電池啟動前，提供直流母線的電壓；當(dāng)汽車制動時，希望制動能量能夠回饋并得到合理的應(yīng)用。采用蓄電池作為輔助供電電源，通過雙向 DC/DC 變換器可以滿足這兩個方面的要求：快速啟動燃料電池；將制動能量回饋給蓄電池。如1-2圖為電動汽車燃料電池電源系統(tǒng)

18、結(jié)構(gòu)框圖，雙向 DC/DC 變換器是此電源管理系統(tǒng)中的重要組成部分之一。為了和目前的汽車負載保持兼容，電池電壓一般為 12V，直流母線電壓為 288V。蓄電池供電時，雙向 DC/DC 變換器工作在放電模式，輸入電池電壓波動，輸出穩(wěn)定電壓 288V，放電功率 1.5kW；蓄電池儲能時，雙向 DC/DC 變換器工作在充電模式，將電能存儲于蓄電池中。上述領(lǐng)域中應(yīng)用的雙向 DC/DC 變換器的共同特點是：變換器功率較大，變換器所連接的電路中一端是電壓較低的蓄電池，另一端的電壓較高。由于電壓等級差別較大，同時出于安全、輸出匹配等因素的考慮，這類變換器一般都采用變壓器進行低壓與高壓之間的隔離，即選用隔離型

19、雙向 DC/DC 變換器。圖 1-2電動汽車用燃料電池電源系統(tǒng)框圖1.2.3 航天電源系統(tǒng)在衛(wèi)星及空間站等航天電源系統(tǒng)中，如圖1-3，雙向DC/DC變換器成為其中的關(guān)鍵性部件。航天電源系統(tǒng)的能源主要包括太陽能電池陣列、高能蓄電池。通常太陽能電池陣列工作在最大功率跟蹤點，當(dāng)日光充足時，太陽能電池陣列除保證負載的正常供電外，將多余能量通過雙向DC/DC變換器儲存到蓄電池中:當(dāng)日光不足時，太陽能電池陣列不足以提供負載所需的電能，雙向DC/DC變換器反向工作向負載提供電能，雙向DC/DC變換器充當(dāng)蓄電池的充放電管理器，它設(shè)計的好壞直接影響到航天器上蓄電池的利用效率和壽命長短。 圖1-3航空電源系統(tǒng)1.

20、3 雙向 DC/DC 變換器的現(xiàn)狀和發(fā)展1.3.1雙向直流變換器的現(xiàn)狀 20世紀(jì)80年代初，為減輕人造衛(wèi)星太陽能電源系統(tǒng)的體積和重量，美國學(xué)者提出用Buck/Boost型雙向DC/DC變換器代替蓄電池充電器和放電器。此后人們對人造衛(wèi)星用蓄電池調(diào)節(jié)器進行了深入研究，并使之進入了實用階段。按照雙向 DC/DC 變換器的構(gòu)成方法，雙向 DC/DC 變換器可以由單向 DC/DC 變換器演變而來，按輸入和輸出之間是否有電氣隔離，或功率開關(guān)器件的個數(shù)進行分類。非隔離型雙向 DC/DC 變換器有：Bi Buck-Boost、Bi Buck/Boost、Bi Cuk、等，這類變換器只能實現(xiàn)電流的雙向流動，并不

21、能改變電壓的極性，故稱為電流雙向變換器，即在電壓和電流為坐標(biāo)的平面內(nèi)，僅電流可正可負，變換器工作在第 I 和第 II 象限。電壓雙向變換器則只能實現(xiàn)電壓極性的變換，電流方向不變，變換器工作在第 I 和第象限。橋式直流變換器既能實現(xiàn)電流的正與負，也能改變輸出電壓的極性，為四象限直流變換器。因而這種四象限直流變換器對直流電機電樞供電時，可以使直流電機在四個象限區(qū)域工作。隔離型雙向 DC/DC 變換器有：反激式雙向(Bi flyback)DC/DC 變換器，正激式雙向(Bi forward)DC/DC 變換器，雙向半橋(Bi half bridge)DC/DC 變換器，雙向推挽(Bi push-pu

22、ll)DC/DC 變換器，雙向全橋(Bi full bridge)DC/DC 變換器等。不僅同一種類型的隔離直流變換器可構(gòu)成隔離型雙向 DC/DC 變換器，而且不同形式的隔離直流變換器也可組合成隔離型雙向 DC/DC 變換器。雙向直流變換器按開關(guān)轉(zhuǎn)換條件，也可分為硬開關(guān)和軟開關(guān)兩類。橋式直流變換器有兩類：一類是由雙電壓源型橋式直流變換器構(gòu)成，主變壓器兩側(cè)電路結(jié)構(gòu)對稱；一類是由電壓源型橋式直流變換器和電流源型橋式直流變換器構(gòu)成。這兩種橋式變換器均可具有軟開關(guān)特性。控制方式有兩種：變壓器兩側(cè)開關(guān)管相移控制, 變壓器有等效電感，通過控制兩側(cè)變換單元之間的相位關(guān)系來調(diào)節(jié)兩個電源之間的能量傳輸大小和方向

23、；只對變壓器一側(cè)開關(guān)管進行控制，來調(diào)節(jié)向另一側(cè)傳遞能量的大小，另一側(cè)開關(guān)管用其反并聯(lián)二極管整流，工作原理類似單向直流變換器。1.3.2 雙向直流變換器的發(fā)展雙向直流變換器和電力電子變換器一樣，基本要求是：工作可靠性高、體積小、重量輕、電氣特性好等?？煽啃允亲钪饕囊?，它是衡量成功率的尺度，通常以平均故障間隔時間，MTBF（以小時計）來表示，也可用平均故障間隔時間的倒數(shù)故障率，即每一千工作小時的故障次數(shù)來表示。高的可靠性來自良好的設(shè)計、認(rèn)真的制造、全面的檢查、合理的使用、準(zhǔn)確地安裝和正確的維修。電力電子變換器應(yīng)該在合適的供電條件下不依賴于其他條件正常工作。變換器的故障不應(yīng)導(dǎo)致給它供電電源的故障

24、，也不應(yīng)引起與其連接的其他設(shè)備的故障。變換器的故障應(yīng)不導(dǎo)致不安全狀態(tài)，不擴大故障，更不造成火災(zāi)等嚴(yán)重事故。體積小、重量輕體現(xiàn)雙向DC/DC變換器是一種典型的“一機兩用”設(shè)備。電力電子變換器的電氣性能包括供電電源的適應(yīng)性、輸出電能質(zhì)量、電能轉(zhuǎn)換效率和電磁兼容性等方面。提高電能轉(zhuǎn)換效率是電力電子變換器永恒的追求。低損耗，就會有低溫升和小的體積重量，因而就有高的可靠性。電磁兼容性既要考慮到不受外界干擾信號大的影響，又要不危害其他設(shè)備的正常工作。雙向 DC/DC 變換器是電力電子變換器的組成部分，其發(fā)展方向基本相同。但雙向DC/DC 變換器是電力電子變換器的一個新分支，是伴隨航空航天、電動汽車等新的無

25、污染能源科技的發(fā)展而發(fā)展起來的，其前景十分廣闊。1.4 本章小結(jié)由于對雙向DC/DC變換器的應(yīng)用場合分析我們可以知道，大多數(shù)情況下都需要較大的電壓傳輸比，而且要求可靠性高，所以一般都采用隔離拓撲。因此雙向全橋DC/DC變換器備受青睞。目前雙向 DC/DC 變換器的研究工作主要集中在電路拓撲和控制方式兩個方面。，本文主要以應(yīng)用于中大功率場合的隔離型雙向全橋 DC/DC 變換器為研究對象，變換器有 8 個功率開關(guān)管，高壓側(cè)是電壓源型全橋結(jié)構(gòu)，低壓側(cè)是電流源型全橋結(jié)構(gòu)。本課題的主要工作包括以下內(nèi)容:(1)介紹了雙向DC/DC變換器的概念原理、構(gòu)成方法、分類及應(yīng)用領(lǐng)域，并對其研究現(xiàn)狀和發(fā)展作了簡略的介

26、紹，并確定以電壓一電流型雙向全橋DC/DC變換器為本文的主要研究對象。（2）分別闡述了Buck充電模式和Boost放電模式的工作原理，并分析了變換器工作過程中存在的一些問題及相應(yīng)的解決方案。(3) 介紹了雙向DC/DC變換器的設(shè)計過程中的參數(shù)計算，和變壓器的選擇。（4）通過PSpice對Buck充電模式和Boost放電模式電路進行仿真分析，驗證其正確行和可行性。最后結(jié)果和理論一致。最后對全文做了總結(jié)，并對進一步的工作方向作了展望。7第2章 雙向全橋DC/DC變換器第2章 雙向全橋 DC/DC 變換器2.1.雙向 DC/DC 變換器的原理單向 DC/DC 變換器，能量只能從一端輸入，從另一端輸出

27、，如圖 2-1-1 所示，這類變換器的主功率傳輸通路上一般都有二極管這個環(huán)節(jié)，因此變換器傳遞能量時只能是單向的，即圖 2-1-1 中，能量只能從V 1經(jīng)變換器傳輸?shù)絍2 ，而不能反向流動.。然而對于有些需要能量可雙向流動的場合（V1和V2 ）可以是直流電壓源或直流有源負載，它們的電壓極性保持不變。能量有時可從V2 傳輸?shù)絍1 ，有時可從V1 傳輸?shù)絍2），如果仍使用單向 DC/DC 變換器，則需要將兩個單向 DC/DC 變換器反并聯(lián). 但是這樣電路就會變得復(fù)雜化，實際上可以將這兩個單向變換器的功能由一個變換器來完成，即是雙向 DC/DC 變換器。圖2-1-1 單向 DC/DC 變換功能框圖圖2

28、-1-2雙向DC/DC變換器結(jié)構(gòu)雙向 DC/DC 變換器是指在保持變換器兩端的直流電壓極性不變的情況下，能夠根據(jù)需要調(diào)節(jié)能量傳遞方向的直流變換器。雙向 DC/DC 變換器置于電源V1 和V2之間，控制其間的能量傳遞。I 1和I 2分別是V 1和V2 的平均輸入電流。根據(jù)實際需要，可以通過雙向 DC/DC 變換器的控制器控制功率流向：使能量從V1傳輸?shù)絍2, 稱為正向工作模式，此時I 1為負，I 2為正; 使能量從V 2傳輸?shù)絍1 ，稱為反向工作模式，此時I 1為正，I 2為負。2.2 雙向 DC/DC 變換器的構(gòu)成方法（a）單向DC/DC基本變換單元 b）雙向DC/DC基本變換單元圖 2-2-

29、1 雙向 DC/DC 基本變換單元演變示意圖（a）單向Buck DC/DC變換器 （b）單向Boost DC/DC變換器圖2-2-2 雙向 Buck-Boost DC/DC 變換器演變示意圖從電路拓撲上講，單向 DC/DC 變換器可簡化為含有如圖 2-2-1所示單向基本變換單元的基本原理結(jié)構(gòu)，該基本變換單元由一個有源開關(guān)和一個二極管構(gòu)成。簡單的實例如圖 2-2-1（a）中的單向 Buck DC/DC 變換器和圖2-2-1(b)中的單向 Boost DC/DC 變換器，由于二極管的存在，能量只能單方向傳輸。圖2-2-2（c）為基本的雙向 Buck-Boost DC/DC 變換器，它有兩種簡單的工

30、作方式：Q2 保持關(guān)斷，Q1 采用 PWM 方式工作，變換器實際為一個 Buck 電路，能量從V 1傳輸?shù)絍2 ；Q1保持關(guān)斷，Q 2采用 PWM 方式工作，變換器實際為一個 Boost 電路，能量從V2傳輸?shù)絍 1。與傳統(tǒng)的采用雙-單向 DC/DC 變換器來達到能量雙向傳輸?shù)姆桨赶啾龋p向 DC/DC變換器應(yīng)用一個變換器來控制能量的雙向傳輸，使用的總體開關(guān)器件數(shù)目少，且可以更快的進行功率傳輸方向的切換。而且，一般雙向 DC/DC 變換器更方便在現(xiàn)有的電路上使用同步整流工作方式，有利于降低通態(tài)損耗?？傊?，雙向 DC/DC 變換器具有高效率、體積小、動態(tài)性能好和成本低等優(yōu)勢。2.3 隔離型雙向全

31、橋 DC/DC 變換器在非隔離型雙向 Buck-Boost DC/DC 變換器的電路拓撲結(jié)構(gòu)中插入高頻變壓器，即可構(gòu)成隔離型 Buck-Boost DC/DC 變換器拓撲。圖 2-3(a)為隔離型 Buck-BoostDC/DC 變換器的基本形式，其中高頻整流/逆變單元和高頻逆變/整流單元可以由全橋、半橋、推挽等電路拓撲構(gòu)成。圖 2-3(b)的整流/逆變單元和逆變/整流單元均是全橋結(jié)構(gòu)，該拓撲即是本文的研究對象。本文主要研究電壓-電流組合型隔離型雙向全橋 DC/DC 變換器。. (a) 隔離型雙向DC/DC基本拓撲圖 2-3（b）隔離型雙向全橋 DC/DC 變換器2.4 雙向全橋 DC/DC

32、變換器的工作原理 帶隔離變壓器的雙向全橋 DC/DC 變換器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖 2-4 所示。圖 2-4 中變壓器兩側(cè)整流/逆變單元均是全橋型結(jié)構(gòu)，高壓側(cè)的為電壓型全橋結(jié)構(gòu)，低壓側(cè)為電流型全橋結(jié)構(gòu)。兩側(cè)可以實現(xiàn)能量的雙向流動。圖 2-4 中，R1 為高壓側(cè)母線負載；變壓器兩側(cè)繞組匝數(shù)分別為N1 、N2 ，匝比為n = N1 :N2；L r1為變壓器高壓側(cè)等效漏感或與外串電感之和；Lr2 為變壓器低壓側(cè)等效漏感或與外串電感之和； Lf 在充電模式時是濾波電感，放電模式時是儲能電感； Cf 是高壓側(cè)的濾波穩(wěn)壓電容。圖 2-4雙向全橋 DC/DC 變換器主電路該變換器有兩種工作模式：當(dāng)供電電源V1 正常

33、時，開關(guān)K1閉合，V1 提供母線負載R 1能量，同時通過變換器給蓄電池V2 充電，稱為充電模式；當(dāng)供電電源V1故障時，開關(guān)K1 斷開，蓄電池V2 作為應(yīng)急供電電源通過變換器升壓后提供高壓側(cè)母線負載R1 能量，稱為放電模式。充電模式時，開關(guān)管Q1 Q4有驅(qū)動信號，并采用移相 PWM 控制方式，而開關(guān)管Q5 Q8則不加驅(qū)動信號，只利用其反并聯(lián)二極管D 5 D8實現(xiàn)輸出全橋整流。放電模式時，開關(guān)管Q5 Q8有驅(qū)動信號，當(dāng)四個開關(guān)管同時導(dǎo)通時電感L f儲能，當(dāng)對開關(guān)管Q 5、Q 8（或Q6 、Q7 ）同時導(dǎo)通時，向高壓側(cè)負載傳遞能量，實現(xiàn)變換器的升壓功能，而開關(guān)管Q1 Q4則沒有驅(qū)動信號，只利用其反并

34、聯(lián)二極管D1 D4實現(xiàn)輸出全橋整流。移相PWM控制方式利用開關(guān)管的結(jié)電容和高頻變壓器的漏電感作為諧振元件。漏感儲存的能量對功率開關(guān)管的兩端并聯(lián)的輸出電容充放電來使開關(guān)管兩端的電壓下降到零，使電路的四個開關(guān)管依次在零電壓下導(dǎo)通，在緩沖電容的作用下零電壓關(guān)斷，從而有效地降低了電路的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲，減少了器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的電磁干擾，為變換器裝置提高開關(guān)頻率、提高效率、降低尺寸及重量提供了良好的條件。同時還保持了一般全橋電路中的結(jié)構(gòu)簡單、控制方式簡潔、開關(guān)頻率恒定、元器件的電壓電流應(yīng)力小的優(yōu)點。雙向DC/DC變換器有兩種工作模式:充電模式和放電模式。2.4.1 充電模式工作原理等效電路當(dāng)變換器處

35、于充電模式時，開關(guān)K 1閉合，供電電源V1 向母線負載R1 正常供電，同時向電池充電。正常供電時，負載R1 所消耗的能量是恒定的，對雙向變換器的傳遞功率沒有影響，濾波電容Cf 上的電壓保持為V1 且恒定不變的，Cf 對變換器功率變換也沒有影響，故分析該模式工作原理時，可以不計母線負載R 1和濾波電容Cf 。因此，充電時主電路等效電路如圖 2-4-1所示，由圖可見充電模式等效電路類似全橋直流變換器，由全橋逆變器和輸出全橋整流濾波電路構(gòu)成，因此，其工作原理的分析可以參考全橋直流變換器工作原理。Lr1是變壓器高壓側(cè)等效漏感與外串電感之和。圖 2-4-1 雙向全橋 DC/DC 變換器充電模式 模態(tài)1：

36、對Q1和Q4施加控制脈沖；Q1和Q4導(dǎo)通構(gòu)成變壓器T左側(cè)的正向電流，此時電流流向是V1+ Q1 A B Q4 V1-。變壓器右側(cè)電流流向：D5 C Lf V2+ D8。如圖2-4-1（a）所示圖2-4-1 （a） 模態(tài)1下的電流流向 模態(tài)2：相對于Q1和Q4，延遲半個周期，對Q2和Q3施加控制脈沖；Q2和Q3導(dǎo)通構(gòu)成變壓器T左側(cè)的正向電流，此時電流流向是V1+ Q3 B A Q2 V1-。變壓器右側(cè)電流流向：D7Lf V2+ D6。如圖2-4-1（b）所示。圖2-4-1（b） 模態(tài)2下的電流流向圖 2-4-1中的開關(guān)管Q1 Q4上不僅有反并聯(lián)二極管D 1 D4，還有并聯(lián)電容C1 C4，它們可以

37、是開關(guān)管的結(jié)電容，或外加的小電容。C1 C4的作用是使開關(guān)器件在關(guān)斷時其兩端電壓從零緩慢上升，實現(xiàn)軟關(guān)斷，減少關(guān)斷損耗。在開關(guān)器件關(guān)斷、開通過程中，電容C 1 C4與L r1諧振，使開關(guān)管在施加驅(qū)動信號開通時其兩端電壓已為零，從而實現(xiàn)零電壓開通，無開通損耗。2.4.2 放電模式工作原理當(dāng)變換器處于放電模式時，開關(guān)K 1斷開，蓄電池V2 經(jīng)過對開關(guān)管的控制和電感Lf的作用實現(xiàn)升壓，向母線負載R1 正常供電。另外，考慮到 Boost 型變換器開關(guān)管電壓尖峰的問題，在輸入端采用有源鉗位電路。放電模式時，對開關(guān)管施加驅(qū)動信號。在Q5 Q8同時有驅(qū)動信號時，四個開關(guān)管同時導(dǎo)通，電源電壓加在輸入電感L f

38、上，電感電流Lfi 增長，若只有對管Q 5、Q8 （或Q 6、Q 7）導(dǎo)通時，則電感電流Lfi 流入變壓器的原邊線圈，電感和電源能量向負載傳送，電感電流Lfi 下降。為了防止電感電路的突然斷開，同一橋臂開關(guān)管（Q 5、Q 6或Q 7、Q 8）之間不是加死區(qū)時間，而是加重疊導(dǎo)通時間，即每個開關(guān)管的導(dǎo)通時間大于 T /2（T 為變換器的開關(guān)周期），導(dǎo)通占空比大于 0.5。這樣才能實現(xiàn)升壓功能。 當(dāng)工作于放電模式時：對開關(guān)管Q5和Q8（或Q 6、Q 7）分別施加驅(qū)動信號，并且占空比大于0.5。Q 6和Q 7的控制信號比Q5和Q8的驅(qū)動信號延遲半個周期。這樣著四個開關(guān)管就有同時導(dǎo)通的時候，同時導(dǎo)通的時

39、候電感Lf上開始儲能，當(dāng)他們不是同時導(dǎo)通的時候，有蓄電池V2和電感Lf上的電能同時通過變壓器的作用實現(xiàn)升壓功能。圖 2-4-2 雙向全橋 DC/DC 變換器放電模式2.5 開關(guān)管電壓尖峰問題 本文所研究的電壓-電流型雙向全橋直流變換器實際上就是一個雙向 Buck-Boost變換器，根據(jù)功率流動方向，分別命名為 Buck/充電方向和 Boost/放電方向。為突出電流型拓撲的電壓尖峰問題，使分析具有普遍性，這里忽略變壓器的勵磁電流，并把漏感折算到同一側(cè)，得到圖 2-5所示的簡化電路。功率傳輸方向不同時，開關(guān)管上產(chǎn)生電壓尖峰的機理不同。充電方向時，如圖 2-5(a)，Q 關(guān)斷后，L r和Q的結(jié)電容振

40、蕩產(chǎn)生電壓尖峰，當(dāng)結(jié)電容C的電壓等于電源電壓V 1時，振蕩結(jié)束。這個振蕩為無源阻尼振蕩，振蕩能量是有限的，產(chǎn)生的電壓尖峰易于吸收。因此充電方向上的電壓尖峰問題不是主要問題，下面主要分析放電模式時開關(guān)管的電壓尖峰產(chǎn)生機理和解決方案。(a) buck 充電方向（b） boost 放電方向圖 2.5 電流-電壓型雙向直流變換器開關(guān)管電壓尖峰產(chǎn)生機理放電方向時，如圖 2.5(b)，Q關(guān)斷后，由于Lr中的電流不能突變，在L r中的電流達到Lfi之前，電流I Lf - I D給Q的結(jié)電容C 充電，形成巨大的電壓尖峰。由于輸入電感L f足夠大，輸入電流在一個周期內(nèi)基本不變，由此可見，放電方向的電壓尖峰是基于

41、恒流源I Lf對電容C充電產(chǎn)生的，其能量是巨大的，有源的。因此這個電壓尖峰難以抑制，必須設(shè)法解決。解決方案：如圖 2-4-2所示，在蓄電池側(cè)加上有源無損鉗位電路，并且需要對鉗位開關(guān)管進行合理的控制。就能很好的抑制電壓尖峰。2.6本章小結(jié) 本章以電壓-電流組合型隔離型雙向全橋 DC/DC 變換器為研究對象，詳細分析了該變換器充電模式和放電模式時的工作原理，針對兩種工作模式分別加以論述。并給出開關(guān)管電壓尖峰產(chǎn)生機理，及抑制電壓尖峰可以采取的鉗位電路。 17第3章 雙向DC/DC變換器主電路元件設(shè)計24第3章 雙向DC/DC變換器主電路元件設(shè)計第3章雙向 DC/DC 變換器主電路元件設(shè)計3.1 引言

42、 在許多場合下，需要有能將直流電源進行雙向變換的裝置，以燃料電池為能源的電動車驅(qū)動系統(tǒng)，就是一例。在該系統(tǒng)中，同時具有普通酸鉛蓄電池和燃料電池，普通酸鉛蓄電池作為車輛冷啟動動力，提供30-40V的低電壓電源。啟動后，用燃料電池提供150一3OOV的車輛驅(qū)動電壓。因此，在電動車啟動時，要求能將普通蓄電池輸出的30一40V直流電壓提升到150一200V以啟動系統(tǒng)開始工作。當(dāng)系統(tǒng)進入正常工作后，用燃料電池的電能，對酸鉛蓄電池進行充電，以恢復(fù)電池的能量消耗。雙向DC一DC電源也可用于供電系統(tǒng)的直流操作電源中，供電系統(tǒng)的直流操作電源，通常用蓄電池作為后備電源，當(dāng)使用雙向直流變換電源后，可有效地減少后各電

43、池的數(shù)量。對雙向直流電源通常要求其具有高效、隔離、低輻射等特點，同時也要求電路結(jié)構(gòu)簡單，易于控制。 前面分析了雙向 DC/DC 變換器兩種工作模式（Buck充電模式和Boost放電模式）下的工作原理，本章將針對200W 樣機的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計電路， V1= (150±10%)V，V2= (40±10%)V，f= 20KHz，P=200W,工作在放電模式時，輸出穩(wěn)定在 150V左右，工作在充電模式時，輸出穩(wěn)流，電壓不超過 44V。3.2 高頻變壓器的設(shè)計3.2.1變壓器的設(shè)計主要包括：磁心選擇、匝數(shù)計算等。該全橋直流變換器的兩個半周期的工作都用同一個原邊繞組，磁心和繞組使用率都很高。

44、為了減少磁化電流，最好原邊繞組匝數(shù)多些，電感量大些。因此選擇高磁合金材料的磁心比較合適，而且磁心不帶氣隙。具體設(shè)計步驟如下：根據(jù)放電功率、效率，確定變壓器輸入、輸出功率。計算式如下： 根據(jù)輸入功率確定合適的磁心型號。再由磁心型號得到變壓器在開關(guān)頻率為 20kHz 時的最佳磁感應(yīng)強度B 。則磁感應(yīng)強度的變化量為 B = 2B。原邊線圈匝數(shù)的計算原邊線圈匝數(shù)計算式如下： （3-1）其中，V1 原邊線圈所加直流電壓，在有波動時取最小值（V）； Ton 最大導(dǎo)通時間（ s）；B 總磁感應(yīng)強度變化量（T）；Ae 磁心有效面積（mm 2）。原副邊匝數(shù)比n的計算： 為了保證整個電壓輸入范圍內(nèi)變換器都能輸出額

45、定的電壓，式(3-1)中輸入電壓V 1用的其最小值V1(min)，Vsw是原邊開關(guān)管的導(dǎo)通壓將，Dp為原邊最大占空比，一般取0.45，Dsec為副邊最大占空比，取 0.4，V2(max)為輸出電壓最大值，VL為電感上的電壓損失，Vsr 為副邊整流二極管上的壓降，Vr 為線路壓降。因為沒有做實際試驗，現(xiàn)在只是理論上和電路上對所研究的電路進行PSpice仿真。根據(jù)原理和所設(shè)計的要求。進行PSpice仿真時利用理想變壓器，此變壓器的匝數(shù)比N=n1：n2=3：1。3.2.2 雙向DC一DC變換器中變壓器偏磁問題：變壓器上施加的電壓和工作磁通中的關(guān)系由下式給出: （3-2）一般情況下，電路在平衡狀態(tài)下，

46、磁通是對稱的。若由于某種原因?qū)е聝蓚€半周期內(nèi)施加在高頻變壓器上的電壓不相等(例如開關(guān)管的飽和壓降有較大差異)，或是開關(guān)管的導(dǎo)通脈寬不相等(例如由于存儲時間的不一致，控制電路輸出脈寬不相等以及反饋環(huán)路引起的不對稱等)時，功率轉(zhuǎn)換電路便工作在不平衡狀態(tài)。此時磁通變化的幅度就不相同，磁通在一個周期終了時不能返回到起始點，于是將在一個方向逐漸增大，其工作區(qū)域?qū)⑵蛞粋€象限，引起磁芯單向飽和，電流急劇上升，從而導(dǎo)致開關(guān)管損壞。同樣，全橋電路也會出現(xiàn)偏磁。圖3-1磁性特性示意圖在脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)變換器中，為滿足輸出特性的需要，脈沖的寬度需要不斷的調(diào)整;功率開關(guān)管的飽和壓降、存儲時間及控制電路的輸出脈寬等

47、不可能完全一致，反饋回路引起的不對稱也不可能完全消除，因此，在雙向DC一DC變換器中，偏磁是必然存在的。目前采用抗偏磁的措施有以下幾種:（1）對于頻率較低、功率較小的變換器，由于變壓器繞組的阻值較高，自平衡能力較強，可以采用增大磁芯面積，或使磁芯保留一定的氣隙，并適當(dāng)加大功率器件的容量，可使偏磁的危害得到抑制或緩解。（2）使用MOSFET管可以在一定程度上抑制偏磁問題。這主要是MOSFET沒有存儲時間，如果門極信號導(dǎo)通時間相同，則漏極導(dǎo)通時間也相同;同時MOSFET通態(tài)電阻具有正的溫度系數(shù)，即溫度升高時，通態(tài)電阻增加。導(dǎo)通電流大(或?qū)〞r間長)的MOSFET管上功耗大，則通態(tài)電阻增大，MOSF

48、ET上電壓增大，加在變壓器上的電壓值減少，從而降低V一S值，在一定程度上抑制了偏磁現(xiàn)象的發(fā)生。（3） 在高頻變壓器的原邊串聯(lián)一無極性電容，可以有效地防止直流偏磁。但是電容的存在降低了功率傳遞的效率，影響了裝置的動態(tài)性能;同時，脈沖電壓嚴(yán)重不對稱時電容上壓降有可能超過電源電壓的10%，從而使裝置在電源電壓下降或負載波動較大時運行不穩(wěn)定。（4）盡量選用特性一致的開關(guān)管。（5） 用電流型控制方案。通過檢測流過器件的電流，并以此來調(diào)整PWM控制器兩路輸出脈沖的寬度，將變壓器勵磁電流控制在一定范圍內(nèi)，來達到防止偏磁的目的，這是最有效的措施。3.3 電感Lf的設(shè)計圖3.3 放電模式電感電流連續(xù)工作主要波形

49、放電模式電感電流連續(xù)工作主要波形如圖3.3所示，假設(shè)電感L f工作在連續(xù)狀態(tài)。圖3.3 中，半個周期 T /2內(nèi)，Q5 Q8四個開關(guān)管同時導(dǎo)通的時間為(1 - D )T/2，期間，電感L f儲能，電感L f電流Lfi 線性上升。對管Q5 、Q8（或Q6 、Q7）導(dǎo)通的時間為 DT / 2，電感L f傳遞能量，電流Lfi 線性下降。實驗時，電感 L f= 300H。3.4 功率開關(guān)管的選取當(dāng)前應(yīng)用于開關(guān)電源中的開關(guān)器件，主要是 MOSFET 和 IGBT 兩種，其中MOSFET 的開關(guān)損耗主要是開通損耗，其產(chǎn)生原因是 MOSFET 開通時漏源結(jié)電容未完全放電；而對于 IGBT 的開關(guān)損耗主要為關(guān)

50、斷損耗，產(chǎn)生原因是關(guān)斷時存在電流拖尾現(xiàn)象。所以在某些場合，尤其在低壓大電流的工作場合下，如果不能實現(xiàn)零電流關(guān)斷，則 IGBT 會有較大損耗，所以 IGBT 開關(guān)管不適合做低壓側(cè)開關(guān)管；使用 MOSFET 開關(guān)管，易于實現(xiàn)零電壓關(guān)斷，并且有很好的頻率特性，有利于提高變換器的開關(guān)頻率。所以本試驗進行仿真時選用的是MOSFET 開關(guān)管。3.5本章小結(jié)本章首先介紹變壓器的磁芯選擇和匝數(shù)比的計算，然后給出了如何選擇電感和功率開關(guān)。第四章DC/DC變換器的PSpice仿真第四章：DC/DC變換器的PSpice仿真DC一DC變換器的基本機構(gòu)可分為Buck充電電路、Boost放電電路。開環(huán)仿真4.1 Buck

51、充電電路簡化仿真圖： 4.1 Buck充電電路PSpice仿真圖其中，右側(cè)的等效電阻 ：。C=100uh。圖4.1.1（a） D=40%時，Buck充電電路仿真波形第四章DC/DC變換器的PSpice仿真圖4.1.1（b）D=40%時，控制管M1和M2的觸發(fā)脈沖的占空比波形圖，分別是40%。理論上在充電模式時 V1=150v，n=3，D=40%，此時V2=40v，可是上圖得出的波形略小于40v。這是由于Mosfet開關(guān)管上在導(dǎo)通期間有一定的壓降，所以最后的結(jié)果才略小于40v。這是正常的。圖4.1.1（c）觸發(fā)脈沖U1和U2兩端波形和mosfet管M1兩端電壓波形圖當(dāng)觸發(fā)脈沖U1起作用時，mos

52、fe管M1兩端電壓為零，而當(dāng)所有的mosfet管都關(guān)時，mosfet管M1和M2兩個管分別占V1電壓的一半，也就是75v。當(dāng)觸發(fā)脈沖U2起作用時，Mosfet管M1兩端電壓為V1電壓，也就是150v，如上圖所示。圖4.1.1（d）變壓器兩端電壓波形圖 N=n1；n2=34.2 Boost放電電路簡化仿真圖圖4.2 Boost放電電路PSpice仿真圖其中，右側(cè)的等效電阻 ：。C=100uh。圖4.2.1（a）D=60%時，Boost放電電路波形圖 圖4.2.1（b）D=60%時，觸發(fā)脈沖U5和Mosfet管M5兩端電壓波形有圖可以看出，當(dāng)Mosfet管M5導(dǎo)通時它的兩端有一定的壓降，所以得出的

53、波形略小于150v。理論上在放電模式時V2=40v，n=3，D=60%，此時V1=150v，可是上圖得出的波形略小于150v。這是由于Mosfet開關(guān)管上在導(dǎo)通期間有一定的壓降，所以最后的結(jié)果才略小于150v。這是正常的。圖4.2.1（c）D=60%時，觸發(fā)脈沖U5、U6的電壓波形和電感Lf兩端的電流波形觀察電感電流，它只有當(dāng)開關(guān)管同時導(dǎo)通時，電感電流在增長，也就是儲能，當(dāng)M5和M8(或者M6和M7)單獨導(dǎo)通時，由V2和電感上的電能一起經(jīng)過變壓器給右側(cè)的電阻提供能量，實現(xiàn)升壓功能。圖4.2.1（d）D=60%時，變壓器兩端的電壓波形 N=n1：n2=3當(dāng)四個開關(guān)管同時導(dǎo)通時，由于再給電感Lf充電，電感Lf電流上升，所以變壓器兩端電壓為零，符合理論。閉環(huán)仿真4.3 Bcuk 充電模式閉環(huán)仿真圖4.3 Bcuk 充電模式閉環(huán)仿真圖4.3.1（a）D=40% Buck充電電路波形圖圖4.3.1（b）Buck電路三角載波和調(diào)制波信號形成的PW