数字控制双向全桥DC-DC变换器的研究硕士学位论文.doc

硕士学位论文 数字控制双向全桥数字控制双向全桥 dc/dcdc/dc 变换器的研究变换器的研究 a thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering a study of bi-directional full-bridge dc/dc converter based on digital control candidate : niu jin hong major:power electronics and electric drive supervisor:prof. kang yong huazhong university of science and technology wuhan, hubei p.r. china 430074 april, 2006 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 i 摘 要 双向 dc/dc 变换器(bi-directional dc/dc converter, bdc)是可双象限运行的 直流-直流变换器。该变换器能够根据实际需要调节能量的流动方向，在功能上相当 于两个单向直流-直流变换器。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、航天电源系统、电动汽车等应用场合。在 需要能量双向流动的场合，双向 dc/dc 变换器的应用可大幅度减轻系统的体积重量 和成本，有重要的研究价值。本文主要研究适用于中大功率场合的数字控制隔离型 双向全桥 dc/dc 变换器。 本文首先在介绍双向 dc/dc 变换器的概念、构成方法的基础上引出双向全桥 dc/dc 变换器，该变换器变压器高压侧为电压型全桥结构，接直流母线；低压侧为电 流型全桥结构，接蓄电池。接着介绍双向全桥 dc/dc 变换器的工作原理，该变换器 有两种工作模式：充电模式时，高压侧开关管有驱动信号，低压侧开关管驱动信号 封锁，工作原理与单向全桥 dc/dc 变换器类似；放电模式时低压侧开关管有驱动信 号，高压侧开关管驱动信号封锁，工作原理与 boost 型全桥 dc/dc 变换器类似。同 时分析了变换器工作过程中存在的占空比损失、开关管电压尖锋、启动控制等问题 及相应的解决方案。然后用状态空间平均法建立变换器的小信号模型，研究双向全 桥 dc/dc 变换器的控制模型，分析变换器的闭环系统稳定性，并给出单闭环 pid 控 制器的设计方法。 最后给出一台 200w 双向全桥 dc/dc 变换器系统设计、软件流程、数字 pid 控制 器的实现方法、及实验结果与分析。 关键词：关键词：双向全桥 dc/dc 变换器 充电模式 放电模式 控制模型 数字 pid 控制 ii abstract bi-directional dc/dc converter (bdc) is the two-quadrant operating dc/dc converter. the power can flow in either direction between two dc sources. bdc performs as two dc/dc converters. with the development of the science and production, bdc is increasingly used in applications such as dc uninterruptible power supply, aerospace power supply, and auxiliary power supply of electric vehicles, etc. the employing of bdc can reduce the size, the weight, and the cost of power system. this thesis is concentrated on the research of the digital controlled bi-directional, isolated, full-bridge dc/dc converter. this converter is usally used in high power applications. in chapter one, the conception, creation of the bi-directional dc/dc converter are presented, and the bi-directional, isolated, full-bridge dc/dc converter is proposed. the converter is operated with dual full-bridges placed on each side of the isolated transformer. the high voltage (hv) side is connected to the dc generator supply, and the low voltage (lv) side is connected to the battery. in chapter two, the operating principle of the bi- directional full-bridge dc/dc converter is introduced. when power flows from the hv- side to the lv-side, the converter works in buck/charge mode to charge the lv-side battery, and the switching signal on hv-side is turned on, on lv-side is locked; otherwise, it works in boost/discharge mode to power the hv-side load, and the switching signal on lv-side is turned on, on hv-side is locked. charge mode works as isolated full-bridge dc/dc converter, and the discharge mode works as isolated full-bridge boost converter. chapter two also proposed some problems and the solved methods, such as the loss of duty ratio, voltage spike, startup controlling, etc. in chapter three, an extended state-space averaged model is developed to build the small signal model of the converter in both directions of power flow. a pid controller is designed to make the system has a satisfactory transient response against the disturbance. finally, a 200w prototype has been built. the design of hardware and software, realization of digital pid controller, etc are introduced in detail. the experimental results of the converter are proposed to confirm the theory analysis. keywords: bi-directional full-bridge dc/dc converter charge mode discharge mode controller model digital pid controller iii 目 录 摘要摘要 i abstractii 1 绪论 1.1 双向 dc/dc 变换器概述(1) 1.2 双向 dc/dc 变换器的应用(5) 1.3 双向 dc/dc 变换器的现状和发展(7) 1.4 本文的研究意义和主要工作(9) 2 双向全桥 dc/dc 变换器 2.1 引言(11) 2.2 双向全桥 dc/dc 变换器的工作原理(11) 2.3 开关管电压尖峰问题(24) 2.4 双向全桥 dc/dc 变换器的启动控制(26) 2.5 本章小结(31) 3 双向全桥 dc/dc 变换器控制模型的研究 3.1 引言(32) 3.2 非隔离型双向 buck-boost 变换器的小信号模型.(32) 3.3 双向全桥 dc/dc 变换器小信号模型的建立(41) 3.4 小信号模型稳定性分析(42) 3.5 本章小结(47) 4 双向全桥 dc/dc 变换器的系统设计 4.1 引言(48) 4.2 主电路参数设计(48) 4.3 辅助电路设计(52) iv 4.4 控制电路设计(55) 4.5 本章小结(58) 5 双向全桥 dc/dc 变换器系统的软件设计及实验结果 5.1 引言(60) 5.2 双向 dc/dc 变换器数字化控制的软件实现(60) 5.3 数字 pid 控制器的算法实现(62) 5.4 实验结果及分析(63) 5.5 本章小结(70) 全文总结.(71) 致谢.(72) 参考文献.(73) 附录 攻读硕士学位期间发表的论文.(77) 1 1 绪 论 1.1 双向 dc/dc 变换器概述 电力电子变换器是应用电力电子器件将一种电能转变为另一种或多种形式电能 的装置。电源可分为两类：一是直流电(dc)，其频率；二是交流电(ac)，其频0f 率。因此按转换电源的种类，可分为 4 类基本的电能变换器13，如图 1.1 所0f 示。 图 1.1 电能变换器类型 dc/dc 变换器，又称直流斩波器，将一种直流电转换成另一种直流电的电能变 换器，是直流开关电源的主要部件。 dc/ac 逆变器，将频率的直流电转换成频率的交流电的电能变换器，0f 0f 是交流开关电源和不间断 ups 的主要部件。 ac/dc 整流器，将频率的交流电转变成频率的直流电的电能变换器。0f 0f ac/ac 变频器，将频率为交流电转变为另一种频率为交流电的电能变换 1 f 2 f 器。 这四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入 的电能经变换后从另一端输出，双向电能变换器可实现电能的双向流动。本文主要 研究对象是电能可以双向流动的 dc/dc 变换器，也称为双向 dc/dc 变换器。 1.1.1 双向 dc/dc 变换器的原理介绍 单向 dc/dc 变换器，能量只能从一端输入，从另一端输出，如图 1.2 所示，这 斩 波 器 逆 变 器 dc ac dc ac 整 流 器 变 频 器 2 类变换器的主功率传输通路上一般都有二极管这个环节，因此变换器传递能量时只 能是单向的，即图 1.2 中，能量只能从经变换器传输到，而不能反向流动。然 1 v 2 v 而对于有些需要能量可双向流动的场合（和可以是直流电压源或直流有源负载， 1 v 2 v 它们的电压极性保持不变。能量有时可从传输到，有时可从传输到） ，如果 1 v 2 v 2 v 1 v 仍使用单向 dc/dc 变换器，则需要将两个单向 dc/dc 变换器反并联，如图 1.3(a)所 示，单向 dc/dc 变换器实现从到的能量流动，反并联单向 dc/dc 变换器实 1 v 2 v 现从到的能量流动。但是这样电路就会变得复杂化，实际上可以将这两个单向 2 v 1 v 变换器的功能由一个变换器来完成，即是双向 dc/dc 变换器245。 图 1.2 单向 dc/dc 变换功能框图 图 1.3 双向 dc/dc 变换功能框图 双向 dc/dc 变换器是指在保持变换器两端的直流电压极性不变的情况下，能够 根据需要调节能量传递方向的直流变换器245，如图 1.3(b)所示。双向 dc/dc 变换 器置于电源和之间，控制其间的能量传递。和分别是和的平均输入电 1 v 2 v 1 i 2 i 1 v 2 v 流。根据实际需要，可以通过双向 dc/dc 变换器的控制器控制功率流向：使能量从 单向dc/dc变换器 1 v 2 v 1 i 2 i 2 0i 1 0i 单向dc/dc变换器 1 v 2 v 1 i 2 i 单向dc/dc变换器 双向dc/dc变换器 1 v 2 v 1 i 2 i 12 0,0ii 12 0,0ii 12 0,0ii 12 0,0ii (a)双-单向dc/dc变换器结构 (b)双向dc/dc变换器结构 3 传输到，称为正向工作模式，此时为负，为正；使能量从传输到，称 1 v 2 v 1 i 2 i 2 v 1 v 为反向工作模式，此时为正，为负。 1 i 2 i 1.1.2 双向 dc/dc 变换器的构成方法 图 1.4 双向 dc/dc 基本变换单元演变示意图 图 1.5 双向 buck-boost dc/dc 变换器演变示意图 从电路拓扑上讲，单向 dc/dc 变换器可简化为含有如图 1.4(a)所示单向基本变 换单元的基本原理结构5，该基本变换单元由一个有源开关和一个二极管构成，简单 的实例如图 1.5(a)中的单向 buck dc/dc 变换器和图 1.5(b)中的单向 boost dc/dc 变换器，由于二极管的存在，能量只能单方向传输。而常规的双向 dc/dc 变换器可 简化为如图 1.4(b)所示双向基本变换单元的基本原理结构，此双向变换单元由两个 各自有反并联二极管的有源开关构成（反并联二极管也可是有源开关管体内寄生二 1 q 1 q 2 d 2 d 2 q 1 d (a)单向dc/dc基本变换单元(b)双向dc/dc基本变换单元 2 v 1 v 2 v 1 v 2 d 1 q 1 q 2 v 1 v 1 d 1 d 2 q 2 q 2 d l l l 功率流向 buck方向boost方向 (a)单向buck dc/dc变换器(b)单向boost dc/dc变换器 (c)双向buck-boost dc/dc变换器 功率流向 4 极管） 。图 1.5(c)为基本的双向 buck-boost dc/dc 变换器，它有两种简单的工作方 式：保持关断，采用 pwm 方式工作，变换器实际为一个 buck 电路，能量从 2 q 1 q 传输到；保持关断，采用 pwm 方式工作，变换器实际为一个 boost 电路， 1 v 2 v 1 q 2 q 能量从传输到。 2 v 1 v 用同样的方法，可以将升降压式(buck/boost)、库克(cuk)、瑞泰(zeta)、赛皮 克(sepic)、全桥(full-bridge)等直流变换器构成 bi buck/boost、bi cuk、bi sepic-zeta、bi full-bridge 等双向直流变换器2。 与传统的采用双-单向 dc/dc 变换器来达到能量双向传输的方案相比，双向 dc/dc 变换器应用一个变换器来控制能量的双向传输，使用的总体开关器件数目少， 且可以更快的进行功率传输方向的切换。而且，一般双向 dc/dc 变换器更方便在现 有的电路上使用同步整流工作方式，有利于降低通态损耗45。总之，双向 dc/dc 变 换器具有高效率、体积小、动态性能好和成本低等优势。 1.1.3 双向 dc/dc 变换器的分类 按照双向 dc/dc 变换器的构成方法，双向 dc/dc 变换器可以由单向 dc/dc 变换 器演变而来，按输入和输出之间是否有电气隔离，或功率开关器件的个数进行分类2 5。 非隔离型双向 dc/dc 变换器有：bi buck-boost、bi buck/boost、bi cuk、bi sepic-zeta 等，这类变换器只能实现电流的双向流动，并不能改变电压的极性，故 称为电流双向变换器，即在电压和电流为坐标的平面内，仅电流可正可负，变换器 工作在第 i 和第 ii 象限。电压双向变换器则只能实现电压极性的变换，电流方向不 变，变换器工作在第 i 和第象限。桥式直流变换器既能实现电流的正与负，也能 改变输出电压的极性，为四象限直流变换器。因而这种四象限直流变换器对直流电 机电枢供电时，可以使直流电机在四个象限区域工作。 隔离型双向 dc/dc 变换器有：反激式双向(bi flyback)dc/dc 变换器，正激式双 向(bi forward)dc/dc 变换器，双向半桥(bi half bridge)dc/dc 变换器，双向推挽 (bi push-pull)dc/dc 变换器，双向全桥(bi full bridge)dc/dc 变换器等。不仅同 一种类型的隔离直流变换器可构成隔离型双向 dc/dc 变换器，而且不同形式的隔离 直流变换器也可组合成隔离型双向 dc/dc 变换器。 直流变换器的拓扑有很多种，也在不断发现新的电路拓扑。双向直流变换器的 5 电路拓扑也在不断增加。 双向直流变换器按开关转换条件，也可分为硬开关和软开关两类2。 1.1.4 隔离型双向全桥 dc/dc 变换器 在非隔离型双向 buck-boost dc/dc 变换器的电路拓扑结构中插入高频变压器， 即可构成隔离型 buck-boost dc/dc 变换器拓扑58，图 1.6(a)为隔离型 buck-boost dc/dc 变换器的基本形式，其中高频整流/逆变单元和高频逆变/整流单元可以由全桥、 半桥、推挽等电路拓扑构成。图 1.6(b)的整流/逆变单元和逆变/整流单元均是全桥 结构，该拓扑即是本文的研究对象。隔离型 buck 变换器的研究比较深入、应用广泛， 但隔离型 boost 变换器的研究相对较少，因此 boost 变换器中存在的启动和开关管 电压尖峰的问题6在隔离型双向 buck-boost dc/dc 变换器中同样存在。本文主要研 究电压-电流组合型隔离型双向全桥 dc/dc 变换器，后面的章节中将会做详细的介绍。 图 1.6 隔离型双向全桥 dc/dc 变换器 1.2 双向 dc/dc 变换器的应用 随着科技和生产的发展，对双向直流变换器的需求逐渐增多，应用也越来越广 泛。本文列举两个应用实例供参考，一是在直流不停电电源系统（dc-ups）中的应 高频逆变/ 整流 单元 高频整流/ 逆变 单元 1 v 2 v (a)隔离型双向dc/dc基本拓扑 c l 1 v 2 v 1 q 2 q 3 q 4 q 5 q 6 q 7 q 8 q 1 d 2 d 3 d 4 d 5 d 6 d 7 d 8 d (b)隔离型双向全桥dc/dc变换器 1r l 2r l t 1 n 2 n :1n 6 用，二是在电动汽车燃料电池电源系统中的应用。 1.2.1 直流不停电电源系统（dc-ups） dc-ups 电源目前应用已经比较广泛，文献245中已有很多介绍。图 1.7 所示 是一种 dc-ups 的结构框图，由 ac/dc 变换器、电池组 ba 和双向 dc/dc（bi dc/dc） 变换器构成。其工作原理是，当供电正常时，ac/dc 变换器将直流母线电压调整到稳 态电压，对直流母线上的负载供电，同时经 bi dc/dc 给电池组 ba 充电，若 ba 已充 足电，则双向变换器不进行功率转换；当供电电源掉电或出现故障时，双向直流变 换器将电池组电压转变成直流母线负载所需电压，给负载供电，使负载不断电。 图 1.7 dc-ups 电源系统 双向 dc/dc 变换器的功能是：供电正常时作为电池组的充电器，保持电池充足 电状态；在供电故障后将电池组电压转变为直流母线电压，给负载供电。通常，电 池组充电的功率较小，放电时功率较大，因此对 bi dc/dc 的功率等级应依放电功率 为准。使用双向 dc/dc 变换器的好处是，可以将电池的充放电的工作分离出来，运 用双向 dc/dc 变换器单独处理蓄电池的充放电操作，更容易优化充放电过程，对于 延长蓄电池的寿命和提高充电效率都有好处。 当然，双向 dc/dc 变换器也可以作为 ac-ups19中的中间直流链与蓄电池之间的 变换环节。 1.2.2 电动汽车燃料电池电源系统 燃料电池是一种可以将化学能转变成电能的装置，在电动汽车21011中有很好 的应用前景。 在燃料电池系统中含有一个压缩机电机，正常运转情况下，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，提供压缩机电机的驱动能量，给燃料电池创造启动条件。辅助电源有 ac/dc变换器 load 双向dc/dc变换器 直流母线 ba 7 两个作用:在燃料电池启动前，提供直流母线的电压；当汽车制动时，希望制动 能量能够回馈并得到合理的应用。采用蓄电池作为辅助供电电源，通过双向 dc/dc 变换器可以满足这两个方面的要求：快速启动燃料电池；将制动能量回馈给蓄电池。 图 1.8 为电动汽车燃料电池电源系统结构框图，双向 dc/dc 变换器是此电源管理系 统中的重要组成部分之一。为了和目前的汽车负载保持兼容1214，电池电压一般为 12v，直流母线电压为 288v。蓄电池供电时，双向 dc/dc 变换器工作在放电模式，输 入电池电压波动，输出稳定电压 288v，放电功率 1.5kw；蓄电池储能时，双向 dc/dc 变换器工作在充电模式，将电能存储于蓄电池中。 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，另一端的电压较高。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，即选用隔离型双向 dc/dc 变换器。 图 1.8 电动汽车用燃料电池电源系统框图 此外，双向 dc/dc 变换器还在航空电源系统、太阳能电池供电系统、光伏电池 等场合应用215。 1.3 双向 dc/dc 变换器的现状和发展 1.3.1 双向直流变换器的现状 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dc/dc变换器代替蓄电池充电器和放电器。此后人们对人造卫 星用蓄电池调节器进行了深入研究，并使之进入了实用阶段。 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 燃 料 电 池 电 压 箝 位 控 制 器 压缩机 电机 双向 dc/dc 变换器 12v 负 载 驱动 电机 逆 变 器 280v直流母线 12v 蓄 电 池 储 能 电 容 8 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16，总结了不隔 离双向直流变换器的拓扑结构。在6种单管非隔离直流变换器的开关管上反并联二极 管，二极管上反并联开关管，即可构成以下4种双向直流变换器：buck- boost、buck/boost、cuk、spepic-zeta双向直流变换器2。 隔离型双向直流变换器有正激、反激、推挽、半桥、全桥等拓扑结构。 桥式直流变换器有两类：一类是由双电压源型桥式直流变换器构成21517，主 变压器两侧电路结构对称；一类是由电压源型桥式直流变换器和电流源型桥式直流 变换器构成21016。这两种桥式变换器均可具有软开关特性。控制方式有两种： 变压器两侧开关管相移控制1020，如图 1.9 所示，其中表示变压器等效电感，通 1 l 过控制两侧变换单元之间的相位关系来调节两个电源之间的能量传输大小和方向； 只对变压器一侧开关管进行控制，来调节向另一侧传递能量的大小，另一侧开关 管用其反并联二极管整流211，或采用同步整流技术2126，工作原理类似单向直流 变换器。 双向全桥直流变换器适合中大功率场合，并且较容易通过移相控制方式实现软 开关，因此备受青睐。大量文献147102732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，全桥直流变换器现已成为中大功率直流变换器的主要拓扑结构，该拓扑易于 实现零压开通的软开关过程，损耗低，效率高。本文研究的对象即是电压源型全桥 直流变换器和电流源型全桥直流变换器组合而成的软开关型双向全桥 dc/dc 变换器。 软开关技术在双向直流变换器中的应用，有利于双向 dc/dc 变换器向小型化和模块 化方向发展。 图1.9 相移控制双向dc/dc变换器等效电路 1 v 2 v 1 l 9 1.3.2 双向直流变换器的发展 双向直流变换器和电力电子变换器一样，基本要求是：工作可靠性高、成本低、 维修性好、体积小、重量轻、电气特性好等12。 可靠性是最主要的要求，它是衡量成功率的尺度，通常以平均故障间隔时间， mtbf（以小时计）来表示，也可用平均故障间隔时间的倒数故障率，即每一千 工作小时的故障次数来表示。高的可靠性来自良好的设计、认真的制造、全面的检 查、合理的使用、准确地安装和正确的维修。电力电子变换器应该在合适的供电条 件下不依赖于其他条件正常工作。变换器的故障不应导致给它供电电源的故障，也 不应引起与其连接的其他设备的故障。变换器的故障应不导致不安全状态，不扩大 故障，更不造成火灾等严重事故。 成本和所需费用是衡量变换器的第二个重要标准，也是提高产品竞争力的主要 因素，应尽量在满足产品技术要求的前提下减少成本费用。 维修性好坏是衡量产品的第三个重要因素。市场需求一般是免维修的或者是维 修性好的产品。 体积小、重量轻是产品设备的基本要求。必须通过精心的设计、合理的安装以 减小体积和重量。 电力电子变换器的电气性能包括供电电源的适应性、输出电能质量、电能转换 效率和电磁兼容性等方面。提高电能转换效率是电力电子变换器永恒的追求。低损 耗，就会有低温升和小的体积重量，因而就有高的可靠性。电磁兼容性既要考虑到 不受外界干扰信号大的影响，又要不危害其他设备的正常工作。 综上所述，电力电子变换器的发展方向是：提高功率密度、提高效率、减少污 染、模块化结构。 双向 dc/dc 变换器是电力电子变换器的组成部分，其发展方向基本相同。但双 向 dc/dc 变换器是电力电子变换器的一个新分支，是伴随航空航天、电动汽车等新 的无污染能源科技的发展而发展起来的，其前景十分广阔。 1.4 本文的研究意义和主要工作 1.4.1 本文的研究意义 双向 dc/dc 变换器这种典型的集双个单向 dc/dc 变换器于一体的变换器，有着 重要的研究价值。目前双向 dc/dc 变换器的研究工作主要集中在电路拓扑和控制方 10 式两个方面。文献2420中对双向 dc/dc 变换器已有较深入的研究，本文主要以 应用于中大功率场合的隔离型双向全桥 dc/dc 变换器为研究对象，变换器有 8 个功 率开关管，高压侧是电压源型全桥结构，低压侧是电流源型全桥结构。目前对双向 dc/dc 变换器的控制模型方面的研究较少，因此研究并得出双向全桥 dc/dc 变换器的 控制模型具有重要的价值。 1.4.2 本文的主要工作 本文的主要研究对象为数字化控制电压-电流组合型隔离型双向全桥 dc/dc 变换 器，针对该变换器做了以下工作： 第一章介绍双向 dc/dc 变换器的概念原理、构成方法、分类及应用领域，并对 其研究现状和发展作了简略的介绍，并给出了本文的主要研究对象为隔离型双象全 桥 dc/dc 变换器。 第二章详细介绍双向全桥 dc/dc 变换器的充电模式和放电模式下的工作原理， 并分析了充放电模式下存在的一些典型问题及相应的解决方法。 第三章是对双向全桥 dc/dc 变换器的控制模型的研究。首先利用状态空间平均 法建立了带阻性负载非隔离型双向 buck-boost 变换器的小信号模型。然后推得带蓄 电池有源负载的隔离型双向全桥 dc/dc 变换器的小信号模型。最后给出了变换器的 闭环控制-输出结构框图，分析了其稳定性及 pid 控制器设计过程。 第四章介绍双向全桥 dc/dc 变换器的系统设计，包括主电路主要元器件的参数 设计，辅助电路和控制电路的设计。 第五章介绍变换器的软件流程和实验结果及分析。并介绍了数字 pid 控制器的 算法实现过程。 最后对全文做了总结，并对进一步的工作方向作了展望。 11 2 双向全桥 dc/dc 变换器 2.1 引言 本文主要研究对象是带隔离变压器的双向全桥 dc/dc 变换器，该变换器隔离变 压器两侧均为全桥结构：高压侧为电压型全桥结构；低压侧为电流型全桥结构。 该拓扑结构的优点：主变压器只有一个一次绕组和一个二次绕组，通过正、反 向的电压得到正、反向磁通，变压器铁心和绕组得到最佳利用。全桥结构使得功率 开关管的最大的反向压降减半133。 该拓扑结构的缺点：需要的功率元件比较多。在导通的回路上至少有两个管压 降，因此效率有所降低，由于变压器两侧均有四个开关管，损耗也略有增加。 2.2 双向全桥 dc/dc 变换器的工作原理 图 2.1 双向全桥 dc/dc 变换器主电路 2.2.1 变换器主电路拓扑 带隔离变压器的双向全桥 dc/dc 变换器的拓扑结构如图 2.1 所示。图 2.1 中变 压器两侧整流/逆变单元均是全桥型结构，高压侧的为电压型全桥结构，低压侧为电 流型全桥结构。两侧可以实现能量的双向流动2。 图 2.1 中，为高压侧母线负载；变压器两侧绕组匝数分别为、，匝比为 1 r 1 n 2 n ；为变压器高压侧等效漏感或与外串电感之和；为变压器低压侧等 12 :nnn 1r l 2r l 效漏感或与外串电感之和；、分别为变压器高压侧和低压侧所串隔直电容； 1b c 2b c v2 d1 t n:1 lr1 c1 d3 c3 d2 c2 d4 c4 n1n2 q1 q2 q3 q4 v1 cb1 d5 lr2 c5 d7 c7 d6 c6 d8 c8 q5 q6 q7 q8 cb2 k1 充充电电模模式式 放放电电模模式式 1 r f c f l 12 在充电模式时是滤波电感，放电模式时是储能电感；是高压侧的滤波稳压电容。 f l f c 该变换器有两种工作模式：当供电电源正常时，开关闭合，提供母线负 1 v 1 k 1 v 载能量，同时通过变换器给蓄电池充电，称为充电模式；当供电电源故障时， 1 r 2 v 1 v 开关断开，蓄电池作为应急供电电源通过变换器升压后提供高压侧母线负载 1 k 2 v 能量，称为放电模式。 1 r 充电模式时，开关管有驱动信号，并采用移相 pwm 控制方式，而开关管 14 qq: 则不加驱动信号，只利用其反并联二极管实现输出全桥整流。放电模 58 qq: 58 dd: 式时，开关管有驱动信号，当四个开关管同时导通时电感储能，当对管 58 qq: f l 5 q 、（或 、）同时导通时，向高压侧负载传递能量，实现变换器的升压功能， 8 q 6 q 7 q 而开关管则没有驱动信号，只利用其反并联二极管实现输出全桥整流。 14 qq: 14 dd: 下面详细说明这两个工作模式时电路的工作原理。 2.2.2 充电模式工作原理 2.2.2.1 等效电路 当变换器处于充电模式时，开关闭合，供电电源向母线负载正常供电， 1 k 1 v 1 r 同时向电池充电。正常供电时，负载所消耗的能量是恒定的，对双向变换器的传 1 r 递功率没有影响，滤波电容上的电压保持为且恒定不变的，对变换器功率变 f c 1 v f c 换也没有影响，故分析该模式工作原理时，可以不计母线负载和滤波电容。因 1 r f c 此，充电时主电路等效电路如图 2.2(a)所示，由图可见充电模式等效电路类似全桥 直流变换器13-4，由全桥逆变器和输出全桥整流滤波电路构成，因此，其工作原理 的分析可以参考全桥直流变换器工作原理。所不同的是充电模式时负载是有源负载 蓄电池。 如果有源功率开关管的导通时间有差异，则加在变压器高压侧的交流电压就会 正负电压幅值相等、脉冲宽度不相等，其中将含有直流电压分量，会在变压器高压 侧绕组中产生很大的直流电流，并可能造成磁路饱和而使变压器不能正常工作，因 此，通常在逆变器输出和变压器高压绕组之间串入隔直电容13（如图 2.2(a)中的 ） ，是变压器高压侧等效漏感与外串电感之和。 1b c 1r l 13 2.2.2.2 控制方式 桥式直流变换器和逆变器一样，有双极性、单极性和移相三种控制方式23。在 桥式直流变换器中，移相控制方式易实现开关管的零电压（zvs）开通，故在此讨论 研究移相控制方式下的全桥直流变换器。 移相控制方式12一个桥臂的两个开关管的驱动信号 1800互补导通且中间有死区， 两个桥臂的导通角相差一个相位，即移相角。通过调节移相角的大小来调节输出电 压。图 2.2(b)中、的驱动信号超前于、一个相位，称、组成的桥臂 1 q 2 q 3 q 4 q 1 q 2 q 为超前桥臂，、组成的桥臂为滞后桥臂。图 2.2(a)中的开关管上不仅 3 q 4 q 14 qq: 有反并联二极管，还有并联电容，它们可以是开关管的结电容，或外 14 dd: 14 cc: 加的小电容。的作用是使开关器件在关断时其两端电压从零缓慢上升，实现 14 cc: 软关断，减少关断损耗。在开关器件关断、开通过程中，电容与谐振，使 14 cc: 1r l 开关管在施加驱动信号开通时其两端电压已为零，从而实现零电压开通，无开通损 耗。 (a) d1 t n:1 lf lr1 c1 d3 c3 d2 c2 d4 c4 d5d7 d6d8 n1n2 q1 q2 q3 q4 v1 cb1 a b c d v2 14 (b) q1q2 q3q4q4 q1 驱 动 信 号 vab 0 0 t1t0 t2t3t4t5t6t7t8t9 t10t11t12t13 i ip p vcd v1 v1/n v1 i1 i2 ip q1 q4 d5 d8 on c1 c2 q4 d5 d8 on d2 q4 d5 d8 on d2 c3 c4 d5 d8 on d2 d3 d5 d6 d7 d8 on q2 q3 d5 d6 d7 d8 on q2 q3 d6 d7 on i3 -i5 ip d t d t t t 15 (c) 图 2.2 双向全桥 dc/dc 变换器充电模式 2.2.2.3 运行模式分析 为了使图 2.2(a)电路工作原理的分析简明、清晰，假定： (1)所有功率开关管均为理想器件，忽略正向压降及开关时间； c3 q3 + - v1 q2 c1 q1 c3 q3 + - v1 q2 c1 q1 d2 c4 q4 d2 q3 + - v1 q2 c1 q1 d2 d3 c4 q4 + - v1 c1 q1 c4 q4 模态2t1t2 模态3t2t3 模态4t3t4 模态5t4t5 模态6t5t6 c3 q3 c2 + - v1 q2 c1 q1 ip 模态1t0t1 + - v1 c1 q1 c4 q4 ip ip ipip ip q4q4 q3q3 q2q2 16 (2)所有电感、电容和变压器均为理想元件； (3)，； 12lead ccc 34lag ccc (4)只要滤波电感比较大，且（为变压器匝比），在一个开关 f l 2 1/fr lln:n 周期中电流变化不大，可以近似为恒定不变。ilf 图 2.2(b)是该全桥变换器的充电模式时的主要工作波形1333，在一个开关周期 中，共有 12 个开关模态，因为前半个周期的开关模态和后半个周期的开关模态工作 情况类同，所以图 2.2(c)只画出稳态工作时半个周期 6 个开关模态的等效电路，且 未画出变压器输出电路。 模态 1：时，关断，电感电流达到最大值。由于电路有 01 tt: 0 tt 1 q 1r l pp ii 电感，等效电感很大，电流变化不大，从转到、。从零 2 1rf lln l p i p i 1 q 1 c 2 c 1 c 电压开始充电，实现了软关断；放电。时，从零充电到，从放 1 q 2 c 1 tt 1 c 1 v 2 c 1 v 电到零，开始导电，创造了的 zvs 条件。副边经、整流输0 abcd vv 2 d 2 q 5 d 8 d 出。 在期间 ： 0101 ttt: 01 1 11 1210122 0 p lead t i ccpcc vvvi dtt (2-1) 011 2/ leadp tcvi 由于是在导通后开通，所以和驱动信号间的死区时间，即： 2 d 2 q 1 q 2 q ()01d lead tt (2-2) ()1 2/ d leadleadp tcvi 模态 2：时，开始导电；时关断。 12 tt: 1 tt0 abcd vv 2 d 2 tt 4 q 期间，a、b 两点已不存在电压，逐渐减少，感应电压使变压器 12 tt0 ab v p i 1r l 输出，故副边仍是、导通。但由于回路等效电感很大，0 cd v 5 d 8 d 2 1rf llk l 故仍衰减缓慢，直到时有关断信号为止，。由于较小，。 p i 2 tt 4 q 2p ii 1r l0 cd v 期间对应于()和()两桥臂之间的移相角， 02 tt: 1 q 2 q 4 q 3 q ，其中为变换器的开关频率。 20 22 ss f tftt 20 2 s tftt s f 模态 3：时关断，从转到、。从零电压开始充电， 23 tt: 2 tt 4 q p i 4 q 3 c 4 c 4 c 17 实现了软关断；放电，从零变为负值。时，从零充电到， 4 q 3 c 4abc vv 3 tt 4 c 1 v 从放电到零放电到零，开始导电，创造了的 zvs 条件。 3 c 1 v 1ab vv 3 d 3 q 期间，变压器原边电压反向，故二次绕组感应电动势使、开始 23 tt0 ab v 6 d 7 d 导通，则、均导通，则，全部加在上，使逐渐 5 d 6 d 7 d 8 d0 cd v 1ab vv 1r l p i 减少，时刻。 3 t 3p ii 在期间，则原边电流和电容 2323 ttt: 23p iii 41 0 abc vvv p i 、的电压分别为： 3 c 4 c 22 cos p iitt 422 sin cp vz itt 2122 sin cp vvz itt 其中，则这一开关模态持续时间为：2 prlag zlc12 rlag l c (2-3) 1 1 23 2 1 sin p v t z i 比较式(2-1)，很容易得到：。 2301 tt 由于是在导通后开通，所以和驱动信号间的死区时间，即： 3 d 3 q 4 q 3 q ()23d lag tt (2-4) 1 1 () 2 1 sin d lag p v t z i 模态 4：这期间、导通。时，开始导通，时， 34 tt: 2 d 3 d 3 tt 3 d 4 tt ，、开始导通。由图 2.2(a)，由于为负，副边、均0 p i 2 q 3 q ab v 5 d 6 d 7 d 8 d 导通，使变压器两端电压为零，故经、向电源回馈能量，电源电压加 p i 2 d 3 d 1 v 1 v 在电感两端，电流线性下降，时下降为零。 1r l p i 4 tt 模态 5：这期间、导通，建立负载电流。时，这时 45 tt: 2 q 3 q 4 tt0 p i 、已有驱动信号，其等效电阻为零，故时电源电压经、加在电感 2 q 3 q 4 tt 1 v 2 q 3 q 18 两端使电流反向从零线性增加。时，。期间，变压器原边 1r l p i 5 tt 5p ii 45 tt 电压虽已反向，但、不足以提供负载电流，因此、仍是同时 6 d 7 d 5 d 6 d 7 d 8 d 导通，变压器仍处于短路状态，。0 cd v 模态 6：这期间，电源经、向负载供电。 56 tt: 1 v 2 q 3 q ，关断，结束了半个周期 6 个开关模态。为后半个周期， 6 tt 2 q 06 tt: 612 tt: 为一个完整周期。 012 tt: 在充电模式中，向传输的功率随对管（和、或和）同时导通时 1 v 2 v 1 q 4 q 2 q 3 q 间的增加而增加。 2.2.2.4 两桥臂实现 zvs 的差异 由上面的分析知道，因为开关管并联电容的存在，开关管的关断为软关断。但 是要实现零电压开通，却必须要有足够的能量来抽走将要开通的开关管并联电容上 的电荷，并给同一桥臂将要关断开关管并联电容充电3。忽略变压器原边绕组电容