1、华中科技大学博士学位论文数字移相控制隔离型半桥双向DC/DC变换器研究姓名：马学军申请学位级别：博士专业：电气工程指导教师：康勇20051001I 摘摘摘摘 要要要要 隔离型双向变换器广泛应用于许多领域 其拓扑类型比较多 本文仅选择适用于中 小功率 结构简单的移相控制隔离型对称半桥和不对称半桥电压 电流型拓扑这两种类型的拓扑进行研究 本文重点研究这两种拓扑在移相控制方式下的工作状态 电路模型 工作特性及数字控制方案 对移相控制隔离型对称双向变换器 提出结合开关函数和等效电路的简化模型建模方法 使状态方程的阶数从高价变成低阶 简化了分析与计算过程 缩短了仿真时间 推导了与简化模型对应的小信号模型
2、 提出了按根轨迹法设计控制器的方法 基于电路拓扑的稳态直接分析法和基于小信号的稳态值分析法完全一致 表明所建模型的正确性 仿真和实验结果验证了理论分析 对称半桥中当电压变化范围较大电感能量传输两侧电压不匹配时 可以用多绕组变压器来实现电压匹配 抑制电流尖峰 不对称半桥由对称半桥变换而来 结构更简单 所用器件更少 隔离型不对称半桥变换器中 当能量传输电感两侧电压不匹配时会在开关管中产生较大的电流尖峰 PWM 加移相控制方式可以实现该工况下对电流尖峰的抑制 降低开关管的电流应力 本文提出了 PWM 加移相控制方式下结合开关函数和等效电路的状态平均模型建模方法 移相控制隔离型对称 /不对称半桥双向变
3、换器实际运行过程中 需要考虑开关器件的电压电流应力 启动电流 偏磁 环流 效率等方面的问题 隔离型电流 电压型双向变换器 Boost 模式下开关管关断时会有较高的电压尖峰 使开关管的电压应力增大 本文分析了电压尖峰形成的机理进行 提出用无源或有源箝位方式限制电压尖峰 降低开关管的电压应力 实验表明 Boost 模式下低压侧启动电流很大 本文提出改进型斜坡输入电压软启动和带反激电路的快速软启动两种无损软启动方式以降低启动电流 移相控制对称半桥双向变换器中 电容均压对防止偏磁 保证电路正常工作是非常必要的 本文提出利用压差反馈或磁集成均压电路来实现分压电容均压和防止偏磁的方案 样机中采用磁集成均压
4、电路实现了对称半桥中分压电容的良好均压 效率测量结果表明上述二种拓扑的效率并不高 本文对效率影响因素进行了深入分析 指出无功和环流是主要原因 II 本文采用基于 DSP TMS320C240 的数字控制方式 提出了基于 DSP 全比较模式的数字移相直接生成方法 该方法通过编程方式就可以实现移相波形的产生及死区的灵活设置 双向变换器 Boost 模式时需恒压控制 Buck 模式时需恒流控制 本文根据控制系统的数学模型设计了合理的数字控制器 实现了对两种模式的良好控制 而所提出的合理的切换方式可以保证不同模式之间可靠切换 研制了一台额定功率 1KW 的样机 实验结果表明了上述模型 分析 设计的正确
5、性 关键词关键词关键词关键词 隔离型双向变换器 对称半桥 不对称半桥 模型 移相 数字控制 III Abstract Isolated bi-directional DC/DC converters are applied in many fields. There are lots of topologies about them. In this paper, phase phift control isolated symmetrical half bridge (SHB)and asymmetrical half bridge(AHB) voltage source-current-s
6、ource topologies are only studied because the topologies are fit for middle or low power and its circuit is simple. As important research content, the operation mode, the mathematic model of the topologies ,the operation characteristic and the scheme of digital control are studied in the two topolog
7、ies. For SHB,based on the equivalent circuits and the switching function , a novel model-construction method is presented which the varying fast state variable is substituted into the varying slow sub-system ,then a descended order state space average model (SSAM) for large inertia sub-system can be
8、 gotten This method will make the analysis and calculation simple and the simulation time is shorten. Based on the simplified state space average model, a small signal model SSM of the topology is constructed and the compensator or controller design method is proposed according to the automation the
9、ory For the solution of stable state value ,there are two method. One of them is direct analysis method based on the circuit topology. The other is based on the small signal model. The same results can be gotten through the two different method and prove that the model is precise. The simulation and
10、 experimental results are presented to verified the theory analysis. In this topology, when the voltage between the energy transport inductance is not mismatch, a large current peak will appear. A multi-windings transformer can be used to avoid this negative state. The isolated (AHB) bi-directional
11、converter is varied from the SHB topology, but its circuit is more simple. For this topology, there is a large current peak when the voltage between the energe transfer inductance mismatch. The larger the voltage error is ,the large the current peak is . In order to restrict the peak current , an im
12、proved phase shift control method can be applied. Based on this control method, a model construction method based on state space average is proposed. As a prototype with the topology of phase shift control isolated SHB or AHB, some IV actual problems such as the choice of switching devices, starting
13、 current, circulating current and efficiency and so on. There is a high voltage peak when the switching device is turning off under boost model. The principle of the high voltage peak is analyzed and the passive or active clamp circuit are presented to restrict the voltage peak. Experimental results
14、 shows starting current is larger than the normal current. In order to reduce the starting current , soft-start should be taken. An improved ramp input soft-start method and soft-start with flyback converter are presented. For the SHB bi-directional converter, its very important for the topology to
15、ensure the voltage capacitor sharing the input voltage in order to prevent the bias-magnetic phenomenon. A voltage error feedback control and integrated-magetic sharing circuit are presented .The latter is applied in isolated symmetrical half-bridge topology and the sharing voltage result is very go
16、od. The experimental results show the efficiency of phase-shift control bi-directional converter is not high. In this paper, the influence factors of efficiency are analyzed and the results shows reactive power and the circulating current are the key factors. In this paper, based on DSP TMS320C240 ,
17、digital control method is adopted. A direct digital phase-shift method based on DSP full comparison is presented .Only by software program ,the phase-shift waveform can be gotten and the dead-time can be set. As bi-directional converter , there are two model: Boost mode and Buck mode. In Boost mode
18、constant voltage control is needed and in Buck mode, constant current control is needed. According to the mathematic model of control system, a fit controller is designed and good control feature is achieved .In order to realize the reliable shift between the two modes, a reasonable shift method is
19、proposed. A prototype, ration power 1kW, is made. The experimental result shows the model ,analysis and the design is correct. Keywords Isolated BDC SHB AHB Model Phase-shift Digital control 1 1 绪绪绪绪 论论论论 1.1 直流变换器概述直流变换器概述直流变换器概述直流变换器概述 电力电子变流电路的基本功能是使交流 AC 和直流 DC 电能进行互相转换基本转换形式共有四种12这四种功率变换形式的示意图如
20、图 1 .1所示 图1 .1 四种功率变换形式的示意图 其中变换器主要有 AC/DC 和 DC/DC 的两种变换形式 1 AC/DC 变换器 又称为整流器 用于将交流电变换为直流电 供给直流用电设 备 各种整流电路都能实现 AC/DC 变换 但其性能差别很大 传统整流器多采用二极管不控整流和晶闸管相控整流技术 控制简单 效率高 但功率因数较低且输入电流的低次谐波含量较高 对电网污染严重 目前 二极管不控整流 功率因数校正组成的单相有源功率因数校正整流器和采用三相高频整流器的整流电路逐渐成为被广泛使用的拓扑结构 2 DC/DC 变换器 又称为斩波器 用于将一种电压 电流规格的直流电变换成另一种电
21、压 电流规格的直流电 这两类变换器可以是单向的 也可以是双向的 单向电能变换器将从一端输出入的电能变换后从另一端输出 双向电能变换器可以实现电能的双向流动 1.1.1 直流变换器的分类直流变换器的分类直流变换器的分类直流变换器的分类 文献1 5将直流变换器按输入和输出之间是否有电气隔离分为两类 不隔离直流变换器和有隔离的直流变换器 不隔离的直流变换器按所用有源功率器件的个数可分为单管 双管和四管三类 单管直流变换器有六种 即 Buck Boost Buck/BoostCuk Zeta 和 Sepic 变换器等 在这六种单管变换器中 ,降压式 Buck 和升压式 BoostDCACDCAC输入输
22、出2 变换器是最基础的 另外四种是从中派生出来的 文献12,610将有隔离的直流变换器按所使用的有源功率器件数量来进行分类 单管的有正激式和反激式两种 双管有双管正激 双管反激 推挽和半桥四种而典型的四管直流变换器就是全桥直流变换器 有隔离的变换器可以实现输入和输出间的电气隔离 通常采用变压器实现隔离 变压器本身具有变压功能 有利于扩大变换器的应用范围 还可以实现多路不同电压或相同电压的输出 在功率开关管电压和电流定额相同时 变换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比 故单管变换器的输出功率最小 而全桥变换器的输出功率最大在高输入电压和中大功率场合得到广泛应用 按能量传递方式来分 直流变换器
23、可分为单向和双向两种 单向变换器的电能只能从一个方向流向另一个方向 具有双向功能的的变换器可以按需要使电功率从低压的电池侧流向高压母线侧或从高压母线侧流向低压的电池侧 文献13,1213按开关管转换条件将变换器可分成为硬开关和软开关两大类自电力电子开关变换器出现以后 PWM 技术以效率高 动态性能好 线性度高等优点在各种电力变换器中得到广泛的应用 而且已经被认为是电力变换器领域中一项成熟 理想和重要的基本控制技术 在今后仍然具有较大的发展潜力 直流变换器一般采用 PWM 控制方式 开关管工作在硬开关状态 传统的 PWM 硬开关技术有下述缺陷 (1)开关器件在开通和关断时由于开关管的电压和电流的
24、交叠区产生的开通损耗和关断损耗随开关频率的提高而增加 (2)开关器件关断时电路中的杂散电感产生很大的 di/dt 过高的电压尖峰加在开关器件的两端容易造成开关器件电压击穿 (3)当开关器件在高压下开通时 开关器件结电容通过开关器件放电 产生很大的冲击电流 不仅增加器件的损耗 而且还可能导致器件的过热损坏 (4)开关器件在开关过程中产生的高频噪声造成传导和辐射干扰 因此硬开关直流变换器的开关频率不可能太高 然而电力变换器的体积和重量与开关频率有着直接的关系 提高开关频率可以使变换器中变压器 电感等磁性元件以及电容的体积和重量都大为减小 从而提高变换器的功率密度 此外 提高开关频率对于降低开关电源
25、的音频噪声和改善动态性能都大有好处 在直流电力变换器中 提高开关频率的基本思路是发展新型的主电路拓扑及运行方式实现 软开关 来改善器件的开关轨迹 提高开关频率 减小开关损耗 一般是通过有序 受控的谐振造成开关管的零电压或零电流开关环境 并让变换器中全部或部分开关管只在这种环境下进行开通和关断 即 软开关 技术 3 文献12按软开关实现的技术将直流开关电源分为以下几类 (1)全谐振型变换器 一般称之为谐振变换器 该类变换器实际上是负载谐振型变换器 按照谐振元件的谐振方式 分为串联谐振变换器和并联谐振变换器两类按负载与谐振电路的联接关系 谐振电路可分为两类 一类是负载与谐振回路相串联 称之为串联负
26、载谐振变换器 另一类是负载与谐振回路相并联 称为并联负载谐振变换器 在谐振变换器中 谐振元件一直谐振工作 参与能量交换的全过程该变换器与负载关系很大 对负载的变化很敏感 一般采用频率调制 PFM 方法 (2)准谐振变换器和多谐振变换器 这类变换器的特点是谐振元件参与能量变换的某一个阶段 不是全程参与 准谐振变换器分为零电流开关准谐振变换器和零电压开关准谐振变换器 多谐振变换器一般实现开关管的零电压开关 这类变换器需要频率调制控制方法 (3)零开关 PWM 变换器 它可分为零电压开关 PWM 变换器和零电流开关 PWM 变换器 这类变换器是在准谐振变换器的基础上 加入一个辅助开关管来控制谐振元件
27、的谐振过程 实现恒定频率控制 即实现恒频 PWM 控制 与准谐振变换器不同的是 谐振元件的谐振工作时间与开关周期相比很短 一般为开关周期的 1 /10 1/5 (4)零转换 PWM 变换器 它可分为零电压转换 PWM 变换器和零电流转换 PWM 变换器 它的特点是变换器工作在 PWM 方式下 辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作一段时间 实现开关管的软开关 在其他时间则停止工作 这样辅助谐振电路的损耗很小 在 DC/DC 变换器中 Buck Boost Buck/Boost Forward 和 Flyback 等单管构成的变换器一般应用在小功率场合 而在中大功率场合 一般采用半桥或全桥变换器
28、其控制方式目前研究的比较多的是移相控制方式 文献34, 1217,8183对移相全桥变换器的工作原理 软开关条件 实现软开关的方式 数学模型 控制方法等几个方面进行了深入研究 研究表明 该拓扑易于实现零压开通的软开关过程损耗低 效率高 现已成为中大功率直流变换器的主要拓扑结构 1.1.2 直流变换器的性能要求直流变换器的性能要求直流变换器的性能要求直流变换器的性能要求 高频开关电源有以下优点 功耗小 效率高 功率密度大 工作范围宽 滤波器体积小 电路拓扑多种多样等 但高频开关电源也有一些缺点 对高频开关电源而言 开关器件工作在高频开关状态 它产生的交流电压和电流会通过电路中的其它元件产生电压
29、电流尖峰干扰和振荡干扰 所形成的 EMI 电磁干扰 会对其它4 电气设备带来不利影响 因此工程上必须采取有效措施对 EMI 进行抑制或屏蔽 使之符合强制性行业标准 文献1提出对电力电子变换器的基本要求是 可靠性高 可维修性好 体积小重量轻 有良好的性价比 电气性能好 直流开关电源的电气性能包括输入特性 输出特性 附加功能 电磁兼容性和嗓声容限等 直流开关电源的输入电源有交流和直流两种 交流输入时 交流电需经整流滤波环节变换成直流电压后 再经直流变换器的二交变换转变为所需的直流电压 输入为交流时还须考虑输入电压相数 电源额定频率及其变动范围 输入功率因数等要求 输入为直流时 电源电压额定值及其变
30、化范围 输入电流额定值及其变化范围 输入冲击电流等是必须考虑的因素 直流电源的输出参数有额定输出电压 电流 输出电压调节范围 负载电流调节范围和输出电压的纹波 动态性能指标等 输出电压的稳压精度是直流开关电源的重要性能指标 稳压精度包括负载调整率和电网调整率 负载调整率是指当负载在 0100%额定电流范围内变化时 输出电压的变化量与输出电压整定值的比值电网调整率是指当电网电压在规定的范围内变化时 输出电压的变化量与输出电压整定值的比值 动态性能指标有两个方面 一个是恢复时间 即当突加 突减负载时输出电压回到稳态值的时间 二是超调值 即负载动态变化过程中超调电压值与稳态输出电压的比值 开关电源还
31、应有输出过压 欠压 过载 过热等保护功能 以便在异常情况下对电源设备进行有效的保护 作为附加功能 有的电源还要求具有遥控 遥测 遥信等功能 此外开关电源还应有高的电能转换效率 低的损耗 低的电气噪声 良好的电磁兼容性和绝缘性能等 在直流变换器的诸多类型中 由于双向变换器所具备的功率可以双向流动等优点应用越来越广泛 而双向变换器根据两侧有无隔离变压器可分成非隔离型和隔离型双向变换器 1.2 非隔离型双向变换器拓扑及工作原理非隔离型双向变换器拓扑及工作原理非隔离型双向变换器拓扑及工作原理非隔离型双向变换器拓扑及工作原理 我们所熟悉的 DC-DC 变换器多数是单向工作的 由于通常的单向 DC-DC
32、变换器5 中的主功率传输通道上一般都有二极管这个环节 故能量经变换器流动的方向只能是单方向的 而不能反向流动 然而对于有些需要能量能双向流动的场合 如仍使用单向 DC-DC 变换器 则需要将两个 DC-DC 变换器反并联 单向 DC-DC 变换器 I 被用来使能量从 V1流向 V2 而单向 DC-DC 变换器 II 被用来使能量从 V2 流向 V1 这种双向独立式 DC-DC 变换器有两个独立的变换器 会使电路结构比较复杂 实际上完全可以通过合理的拓扑结构 适时 适式的控制把两个独立的变换器的功能由一个一体化的变换器来完成 文献67提出使用双向 DC-DC 变换器来实现功率的双向流动 图1 .
33、2 双向变换器演变示意图 单向 DC-DC变换器+-V1 V2+-I1 I2(a)单向 DC-DC变换器功能框图单向 DC-DC变换器 I+-V1 V2+-I1 I2(b)双 -单向 DC-DC变换器功能框图单向 DC-DC变换器 III10BoostI10BoostBuckI10,I20I10,I2Boost双向变换器D1D2+-+-L1V2V(b) Boost单向变换器S1D2D1+ -S2+-L1V2V(b) BoostBuck双向变换器S1D2D1+-+-S1L1V2V(c) Buck/Boost单向变换器D1D2+-+-S1L1V2V(c) Buck/Boost双向变换器D1S2D2
34、+-+-S1L1V2V(d) Cuk单向变换器D1D2LC1+-+-+-+-S1L1V2V(d) Cuk双向变换器D1D2LS2C1+-+(e)Zeta单向变换器+-S1L1V2VD1D2LC1+-+-+-+-S1L1V2VD1D2LC1+-S2(e)Zeta/Sepic双向变换器+-+-(f)Sepic单向变换器+-L1V2VD1D2LC1+- +-+-S1(f)Sepic/Zeta双向变换器+-L1V2VD1D2LC1+- +-+-S18 1.3 隔离型双向变换器拓扑及移相控制工作原理隔离型双向变换器拓扑及移相控制工作原理隔离型双向变换器拓扑及移相控制工作原理隔离型双向变换器拓扑及移相控制
35、工作原理 隔离型半桥 /全桥型双向 DC-DC 变换器广泛用于中 大功率工况 其典型拓扑结构有两类 ,一类是双电压源型双向 DC/DC 变换器 如图 1 .4 所示 图1 .4 双电压源型双向 DC/DC 变换器 其特点是变压器两侧的变换器都为电压源型 当电路工作于 Buck 模式时低压侧V1 由于无滤波电感其纹波电流将较大 另一类型为电压电流型双向 DC/DC 变换器 如下图 1 .5 所示 该类型的双向变换器其低压侧电源端串联一大电感 可以保证低压侧的电流近似不变而近似为一恒流源 故低压侧可称之为电流型变换单元 高压侧电压高电流小无需大电感 故称这为电压型变换单元 文献1314 ,5762
36、, 77提出这种电流 电压型双向变换器结构中 当低压侧电池放电时 要求能提供稳定的高压侧母线电压即实现母线端的输出电压的闭环控制 当高压母线侧放电低压侧电池充电时 由于电池的充电特性的要求恒流充电 因此需要对充电电流进行闭环控制 目前由于电流 电压型双向变换器性能优于其它类型 故使用最为广泛 本文所讨论的电路拓扑结构也基于这一类型 图1 .5 电压电流型双向 DC/DC 变换器 隔离型半桥 /全桥双向 DC-DC 变换器的共同特点有两个方面 一是变压器的漏感和变压器所串联的电感是能量存储与转移的载体 是变换器能量传输的重要元件 同时也是保证变换器实现软开关的换能元件 二是其基本工作原理是通过合
37、理TLp+-+-BoostBuck低压侧高压侧1V2V功率流向高频逆变器 /整流器高频整流器 /逆变器TLp+-+-BoostBuck高压侧1V2V功率流向高频逆变器 /整流器高频整流器 /逆变器低压侧9 地控制开关器件的通断 使隔离变压器两侧的变换单元之间产生功率流动 控制功率流动的方 式有两种 文献35提出了传统的 PWM 控制方式 该方式实现容易 但不能实现软开关 文献3334则提出移相控制方式 在变换器两侧产生频率相同但相位不同的对称方波电压源 通过控制两个方波电压源之间的相位关系来控制传输功率的大小和方向 这一方式可实现开关器件的软开关 降低损耗 因此得到较为广泛的应用 本文主要讨论
38、移相控制方式 该控制方式下的功率流向示意图如图 1 .6 所示 图1 .6 移相控制方式原理图 理论分析表明 当12 即1V 相位超前2V 时120, 0PP即功率从1V 流向2V当12即功率从2V 流向1V 文献42,43分析了有关传输功率与移相角的定量关系 1.4 隔离型直流双向变换器的应用隔离型直流双向变换器的应用隔离型直流双向变换器的应用隔离型直流双向变换器的应用 随着科技和生产的发展 对双向 DC/DC变换器的需求逐渐增多 主要有直流不停电电源系统 航空电源系统 光伏电池 电动汽车等车载电源 舰载电源 蓄电池储能等应用场合 这类变换器具有几个方面的优点 高功率密度 高转换效率 小滤波
39、器 功率能双向流动 1 直流不停电电源系统 文献2930,38将双向 DC/DC变换器应用于直流不停电系统中 其结构如图1 .7所示 蓄电池组经过双向 DC/DC变换器并连到直流总线上 正常工况下 一级 AC/DC变换器提供稳定的直流母线电压 向直流母线上所接负载供电 同时双向 DC/DC变换器经从母线取能量向蓄电池充电 一旦外部交流电源工作异常使直流总线掉电时 在L22,P 11,P 10 控制电路的作用下双向 DC/DC变换器进入反向工作状态 蓄电池放电 并在一定时间内维持直流总线电压的稳定 保证直流负载供电的连续性 显然双向 DC/DC变换器也可以是交流 UPS中的蓄电池能源的存储与变换
40、的重要环节 2 航天电源系统 文献39分析了双向 DC/DC变换器在卫星及空间站等航天电源系统中应用 航天电源系统的能源部分主要包括太阳能电池阵列 高能蓄电池组 其结构如图1 .8所示通常太阳能电池阵列工作在最大功率跟踪点 (MPPT ) 日光充足时太阳能电池阵列除保证负载的正常供电外 将多余能量通过双向 DC/DC变换器储存到蓄电池组中 日光不足时太阳能电池阵列不足以提供负载所需的电能 双向 DC/DC变换器反向工作向负载提供能量 双向 DC/DC变换器充当蓄电池的充放电管理器 图1 .7 直流 UPS 电源系统 图1 .8 航天电源系统 3 电动汽车 各种重型车辆的车载电源系统 电动汽车
41、各种重型车辆的车载电源系统中 双向 DC/DC变换器的应用越来越广泛 双向 DC/DC变换器的一个典型应用便是电机驱动系统 特别是应用蓄电池为能源的电机驱动系统 由于电动汽车的电机运转速度极宽 频繁加减速 而且蓄电池的电压变化范围很大 相对于一般的驱动方法 使用双向 DC/DC变换器可以明显提高电机的驱动性能 另一方面 双向 DC/DC变换器可以将制动刹车时的动能转化而来的电能回馈给蓄电池 这样不但可以节省能源 优化电机控制提高效率的性能 同时可以避免在使用单向 DC/DC变换器时出现的反向制动无法控制和变换器输出端出现浪涌电压等不利情况 在电动汽车中 电动机是典型的有源负载 在坦克 装甲车等
42、重型车辆中 仍采用柴油或汽油发动机驱动 发动机带动发电机发电 作为车中其他设备的供电电源 但发动机的启动需要电源 通常的办法是 发动机启动时由蓄电池 (24V或 48V)经双向 DC/DC变换器升压至 270V给电机供电 让电机工作在电动状态太阳能电池阵列负载双向 DC/DC变换器控制器AC/DC变换器负载双向 DC/DC变换器控制器11 带动发动机启动 发动机启动完毕 电机即由电动状态转变为发电状态 为车中其他设备提供电源 同时经双向 DC/DC变换器给蓄电池充电 . 4 燃料电池系统 文献2124,31,5357分析了带燃料电池的电动车的工作过程 系统中一般含有一个压缩电机消耗单元 正常运
43、转情况下 该压缩机可由燃料电池输出电压供电 但在电动汽车启动时 燃料电池电压尚未建立起来 需要辅助电源来供电 辅助电源有两个作用 : 在燃料电池发电前通过双向 DC/DC变换器升压 提供高电压母线的能量 ; 当汽车制动时 逆变器和双向 DC/DC变换器再将再生制动的能量存储到蓄电池中 双向 DC/DC变换器在电动汽车等车载 舰载系统中的应用还包括为弥补蓄电池瞬时输出功率有限的缺陷 通过加入超容电容和双向 DC/DC变换器达到增加瞬时功率从而提高系统的加减速性能 燃料电池技术是一种前景非常广阔的新型电池 它可以取代目前广泛传统汽车所用的内燃机 或用于目前电动车上所使用的传统电池 有望成为下一代新
44、型混全电动汽车的首选电源 其中直流双向变换器的典型应用是作为燃料汽车的辅助电源 由于燃料电池没有能量存储功能 因此需要一个较大功率的 DC-DC 变换器用于能量的存储 燃料电池和混合能源电动汽车也需要双向 DC/DC 变换器 如图 1 .9 所示 为了和目前的汽车负载保持兼容 电池电压一般为 1 2V 直流双向变换器的作用就是在发动机启动时把 1 2V 电池电压经一个 Boost 电路升高到 288V 288V 电压提供给燃料电池压缩机膨胀单元控制器并产生燃料电池的电压 它送到高压母线上并因此而减小了电池的负载 而且电池也吸收由牵引电机所产后的再生能源 对上述的燃料电池能源系统 直流双向变换器
45、的功能有两个方面 首先 在燃料电池能产生电力之前把较高的母线电压升高到设定值 其次存储来自牵引电机的再生能源 图1 .9 燃料电池系统框图 电压箝位双向DC/DC变换器逆变器交流牵引电机 燃料电池蓄电池控制器压缩机 高压母线280V低压母线12V12 上述领域中应用的双向 DC/DC 变换器的共同特点是 变换器功率较大 变换器所连接的电路中一端是电压较低的蓄电池 而加一端的电压较高 由于电压等级差别较大 同时出于安全 输出匹配等因素的考虑 这类变换器一般都采用变压器进行低压与高压之间的隔离 1.5 移相控制隔离型直流双向变换器的研究现状移相控制隔离型直流双向变换器的研究现状移相控制隔离型直流双
46、向变换器的研究现状移相控制隔离型直流双向变换器的研究现状 由于双向直流变换器有功率流动方向易于控制 结构紧凑等优点 而有广阔的应用前景 近二十多年来 世界各国的学者对双向变换器进行了广泛研究 并使其逐步在工业上得到应用 20世纪 80年代初 为减轻人造卫星太阳能电源系统的体积和重量 美国学者提出用 Buck/Boost型双向变换器代替蓄电池充电器和放电器 实现汇流条电压的稳定此后人们对其蓄电池调节器进行了深入研究 并使之进入了实用阶段 1991年 R.W.DeDoncker等申请了 Power conversion apparatus for DC-DC conversion using du
47、al active bridges 美国专利 (U.S.Patent No:5027264) 提出由两台方波输出的电压型直流变换器组合成双向直流变换器 采用移相控制的方法输出电压和功率的调节 借助变压器的漏感或外接电感实现开关管的零电压开关 1994年 F.Caricchi等研制成功电动车驱动用 20kW水冷式双向直流变换器 同时香港大学陈清泉教授 (C.C.Chan)也开展了电动车用双向直流变换器的研究和试验工作 1994年澳大利亚 Felix A.Himmdlstoss在 PESC 1994上发表文章74总结了不隔离双向直流变换器的拓扑结构 1998年美国 Virginia大学李泽元教授
48、(F.C.Lee)开始从事与燃料电池配套的双向直流变换器研究 并取得了很大的进展 国内方面 浙江大学徐德鸿教授等对复合有源钳位电路和移相控制软开关双向直流变换器等进行了系统研究 提出了一些新的拓扑和控制方法 文献12表明 采取隔离型双全桥移相控制方式的双向变换器功率目前已达到50kW 效率为 83% 从研究内容来看 和其它类型的直流变换器一样 隔离型移相控制直流双向变换器的研究主要包括拓扑的分析与模型的建立 控制器的设计 拓扑的改进 性能的提高及其工程上的实际应用等几个方面 13 1.5.1 主电路拓扑研究主电路拓扑研究主电路拓扑研究主电路拓扑研究 文献2730对双向隔离型 DC-DC 变换器
49、拓扑进行研究 将其分为反激式(Flyback) 正激式 (Forward) 推挽式 (Push-pull) 半桥式 桥式等拓扑结构不仅同一种类型的隔离型直流变换器可以构成双向隔离型直流变换器 而且不同形式的隔离型变换器也可以组合成双向隔离型直流变换器 比如半桥和推挽型就可构成双向直流变换器 由于半桥变换器的电源电压可较高 而推挽型变换器的电源电压较低 两者的组合适合于高压和低压电能双向变换 所组成的拓扑有 双对称半桥型 双不对称半桥型 双全桥型 对称半桥全桥型 双推挽正激型 双管正激推挽正激型等 不同的拓扑其特点不同 不同的工况对双向变换器的要求也不一样深入研究现有拓扑的特点提高其性能以及根据实际需要研究新的高性能的拓扑将会一直是双向变换器研究的一个重要方向 1.5.2 建模方法的研究建模方法的研究建模方法的研究建模方法的研究 文献75将变换器的建模方法分为两大类 数字仿真法和解析建模法 其中又可以分成若干具体类型 如
