一种新型双向DC-DC变换器的研究.doc

分 类号 学历 硕 士学位 类别 ： 功 率 变 换 的工 作 原 理 ， 分析了 移 相 全 桥式滞 后 臂 实现 零 电 压关 断 困 难 以 及占空比 丢失 的原 因 以 及采取 相 应 的改善措 施 。 分析了 双向 变 换 器 产生 偏 磁的原 因 以 及采取 抗偏 磁 的措 施 。 在已有 的分析基 础 上 ， 首 先对 所提出的方 案进 行了 仿 真 ， 证明 了 该 方 案的可 行性 。 在此 基础 上 ， 试制 了 一台实验样 机 。 该 实验样 机 的各 项 指标 达 到 了 设 计要 求 。关 键词： 双向 软 开 关仿真 瓸 双 向 变换 器 的 主 电 路拓 扑 图 降 压 变换 时 的 主 电 路拓 扑 图 。图 升 压 开 关 管 的 驱 动电 路 图 降 压 变换 时 变压 器 高 压 侧 电 压 仿 真波 形 、两 端的 电 压 波 形 事哆扒 第 一章绪展。 双 向 疘 变 换器的应 用在直流不停 电 的电 源 系统 中 一般有 两 种模式 ： 一种是如图 所示的供电 模式 。 在直流侧直接 并联 合 适 的电 压等 级 蓄 电 池 ， 保 证 直流负载 的不间 断供电 。当 外 部的交 流电 压掉电 时， 由 蓄 电 池 对负载 供电 ； 正 常供电 时， 对蓄 电 池 充 电 。该 系统 的优 点 就 是结构 简 单 ， 但 是由 于蓄电 池 的电 压变 化很 大 ， 会造成 直流母线 上的电 压也 变 化 很 大 。 另 一种形 式 就 是采 用 双 向 交 换器的形 式 ， 蓄 电 貄 图 双 向 变 换器用 于 交 流不停 电 电 源 系统 谙呤 。 图 为 一个简 单 航 空电 源 的供电 模式 图。圈 航 空电 源 的供电 模式由 于 现 代科 技 不断的发 展 和 进 步 ， 汽 车 尾气 成 为 环 境 主要污 染 源 之 一， 已经 引 起了 世 界 各国 的严重 关 注 。 出于 对环 保 和 能源 的要求和 考 虑 ， 电 动 汽 车 有可能成 为 陆 地 上最 重 要的交 通 工具 之 ； 电 动 汽 车 是以 电 能作为 主要能源 ， 通过电 动 机来 驱 动 汽 车 。 电 动 汽 车 与燃 油 汽 车 相比 较 而 言 ， 它具 有 减少 环 境 污 染 ，提 高 能源 利用 率 等 优 点 。 图 直接 驱 动 直流电 机的双 向 变 换器 图 直接 驱 动 直流电 机的双 向 变 换器； 图 燃 料电 池 和 蓄 电 池 配 套 使 用 的双 向 变 换器直流功 率 放大 器也 是双 向 变 换器运 用 的一个重 要领 域 ， 当 然也 可以 双 向 变 换器的原理斗 6 鬩 脊流动 的方向称 为 正 向工作模式 缒芰 看 觱 偷 絍 反 之 称 为 反 向工作模式 缒芰 看 觱 偷 絭 。 双 向 变 换器与传 统 的采 用 两 套 单 向 交 换器相比 较 而 言 ， 使 用 的元 器件 较 少 ， 而 且可 良更 快 的实 现 能量 的两 个方向传 输 转 换。 并且双 向 变 换器具 有 体 积小 、 效率 高 、 动 态性能好、 低 成 本等 优 点 。 二牛二匕乡 丁 吩一 最 去本 二 薛种形 式 的变 换器都 可以 由 这六种变 换器经 过适 当 的变 换得 到。 另 外 带 变 压器隔离的单 向 变 换器也 有 对应 的双 向 变 换器。 如正 激式 变 换器、 反激式 变 换器、 推挽 式 变 换器、 全桥 式 和 半 桥 式 变 换器以 及一些 其它混合 式 变 换器都 有 其对应 的双 向 变 换器。 在需 要进 行 电 气 隔 离所需 要双 向 场所， 一般常常用 到 阻下 几 种双 向 变 换器的拓扑 结构 形 式 ， 如图 尽久 蟆 俊 渲型 为 电 压型 拓扑 ， 通 常通 过移 项 角 来 控 制 功 率 的流向和 大 小 ， 但 是环 流能量 大 ， 它是利用 变 压器的漏 感 来 传 递 能量 ， 降 低 了 变 换 率 双 向传 输 ， 能量 正 向流动 时， 普通 全桥 上的开 关 管 玀 完 全关 断， 仅嘏：图 旌锨 攀剿 駾 变 换器的拓扑 结构管 玸 完 全关 断， 同 样 仅 仅 依 靠其反 并联 的二 极 管参 加 整 流使 用 。 另 外 全桥 推挽 式 双 向 ， 变 换器的拓扑 也 是较 为 普遍 的结构 形 式 。 在全桥 以 正 向模式 工作时， 推挽 式 变 换器开 关 完 全关 断而 以 其反 并联 的二 极 管作为 整 流元 件参 与工作， 推挽 式 电 路 以 反 向模式 工作时， 全桥 变 换器开 关 完 全关 断同 样 也是仅 仅 依 靠其反 向并联 的二 极 管参 与整 流过程 。 随着 软开 关 技 术 与同 步 整 流技 术不断进 步 ， 在很 大 程 度 上推进 了 双 向 变 换器的发 展 ， 使 得 双 向 不断朝 着 高 效率 、 低 损 耗 、 低 成 本 和 高 动 态性良好的方面飞速 发 展 。随着 我 国 电 子 工业的迅速 发 展 ， 对开 关 型 功 率 变 换器的要求也 越 来 越 高 。特别 是对大 功 率 的开 关 电 源 的可 靠性要求越 来 越 高 ， 在一些 领 域 内 开 关 电 源 的可靠性成 了 阻碍 技 术 进 步 的障碍 。 而 开关 电 源 的可靠性很 大 程度上取 决于 电 源控 制 系统 的完 善性和 有 效性。 在传 统 的开 关 电 源 中 ， 由 于 功 率 器件 工作在硬 开关 状 态， 器件 常常在商电 压下 开 通 ， 在大 电 流下 关 断， 这样 会 存 在如稳 定性差、射 频干扰 约 暗 绱鸥 扇 大 、 开 关 损 耗 大 、 输 出纹 波 大 、 器件 安全工作区 窄 、 电 路 对分 布 参 数 比 较 敏 感 等 缺 点 。 如果 将软开 关 技 术 和 功 率 因 数校 正 技 术 结合 起来 应 用 于 开 关 电 源 中 ， 可使 功 率 器件 在换流瞬 间 ， 实 现 零电 压开 关 换流。 这样 可降 低 开 关 电 源 开 关 损 耗 、 改 善电 网功 率 因 数 、 提 高 电 能利用 愕缪箍 9匾 葡嗫 刂 魄 攀剿 駾 变 换器 功 率 。 这类 电 路 的缺 点 是不能完 全消 除电 压峰 值 ， 只 能减缓。流转 换 缤 哪 康模 奶 氐 憔 褪 潜浠 黄 骰 颈 至 艘 话 愕腜 删的工作方式 ， 额 外 引 入 的有 源 开 关 和 谐 振 网络 ， 只 是在主开 关 管开 通 和 关 断之 前 工作一小 段 时间 内 ， 使 主开 关 管工作在软开 关 状 态， 该 类 变 换器的另 一个优 点 就是器件 的电 压应 力 较 小 。 另 外 还 有 有 源 嵌 位双 向 变 换器和 混合 型 软开 关双 向 变 换器等 多种类 型 。 新 型 软开 关 双 向 变 换器的研究意义 和 内 容具 有 结构 简 单 、 基 极 驱 动 十 分 方便 、 简 单 ， 不需 要进 行 电 气 隔 离就 可以 直接 驱 流、 欠 压保 护和 输 出过压、 过流、 欠 压保 护等 功 能。本 课 题在研究过程 中 主要解 决以 下 几 个问 题而 展 开 的：损 耗 ， 并拓宽 软开 关 负载 适 应 范 围 ； 第 二章 双 向 变 换 器的 工 作 原理 图 臘 变 换 器的 结 构简 图处 于 对 角的 开 关 管和同时导通 ， 和同时导通 。当 和导通 时， 电 源 电 压直 接 加在 变 压器的 原方 ， 变 压器副方 电 压与 负载 电 压一起 加在电 感上 ， 此时电 感上 承受 正向电 压。电 感中的 电 流 线 性增加 。此时功率 从 输入 侧 通 过 变 压器传 给 负载 。在 、 关 断 后 和、 开 通 前， 也 就 是 所 有的开 关 器件 在 此期 间均 没有 导通 期 间， 加在 变 压器的 原方 的电 压为 零， 此时加 在 图 中， 对 角的开 关 管总 是在 同一时间内 完 成 开 通 和关 断 过 程 。实 际上互 为 对 角的 开 关 管在 开 通 和关 断 的时刻不一定 要 在 同一时间段 内 完 成 ， 通 过 改变 开 关 管的通 断 时刻， 可 以 得到一族 不同的 控制策略。也 只有 通 过 改 变 开 关 管的通 断 时刻， 使变 换 器在 一定 的时段 内工 作 在 零电 压或 零电 流 状 态 下 ， 才 有 可能 实 现开 关 元件的软 开 关 。移相控制全 桥 变 换 器利 用 变 压器的 漏感和功率 管两端 并联 的电 容 或 者是 功率开 关 管寄生 电 容 谐振 来 实 现零电 压开 通 和在 缓 冲电 容的作 用 下 零电 压关 断 ， 通 过 移相控制达 到对 占 空 比的 调 节， 完 成 对 输 出 电 压的 控技术 的结 合 。其工 作 原理 为 每个 桥 臂 的两个 开 关 管互 补 导通 ， 两个 桥 臂 导通 时间相差 一个 相位 ， 即移相角， 通 过 调 节移相角的 大小 来 调 整 输 出 脉 冲的 宽度 ， 从 而达 到调 节输 出 电 压的 目 的。通 过 利 用 变 压器的 漏感和开 关 管上 的寄生电 容 或 并联 电 容 作 为 谐振 元件 ， 和对 开 关 管上的寄生 电 容 的充电 、 放 电 过 程 。使得四 个 开 关 管依 次 在 零电 压下 开 通 ， 在 缓冲电 容 的作 用 下 关 断 ， 来 实 现开 关 图 移相控制全 桥 琍变 换 器电 路 原理 图琄 为 变 压器原副边 匝比。 在 时刻关 断 ， 扣 从 中转移到和支 路 中， 给 充电 ， 同时一； 醋 斛 “零， 和自 然 关 断 ， 抛 和中将 流 过 电 流 。 组 中寄生 电 容 电 荷 。要 实 现开 关 管的零电 压开 通 ， 必须满足 两个 条 件：的关 断 导通 的时间间隔必须要 大于 电 容 的充放 电 时间【】 空 比， 即 图 推挽 式 变 换 器开 关 的驱 动 电 压波 形和开 关 所 承受 的电 压波 形汜 ， ， ! 一 江 ； 鉣经变 压器， 此时变 换 器对 负载 供 电 ， 中的 电 流 线 性下 降。双 向 变 换 器中变 压器的 偏磁问题 第 三章 双 向 变 换 器主 电 路 的设 计本 课题 针 对 某 一电 动 车辆的车载 电 源 设计 了 一种新型 的双 向 变 换 器；， 图 降压 变 换 时的主 电 路 拓扑 换 ， 如 图 所示 盡 玀 鳎 琈玀 馑保 痰缙 鱇 不 动 作 ， 系 统 工 一 。 两忑 再 面 鬲刈 因此 最大的输 入 电 压为，驣器负边 所需 要的最 小 电 压 为，一最 大的占 空 比， 可 以 求 得变 压 器副 边 所需 的最 小 电 压竖生 竖： 垄 综合考虑取 原边 匝 ， 副边 眩 浔 任。 管 使用 。 对 于升 压 电 路 ， 其 输 出 采用 的是 全桥整流 电 路 ， 要求 输 出 电 压 为，倍 ， 由于变 压 器漏 感 一般 都 会 引 起峰 值 电 压 ， 加 大了 开 关 管 上的所承受 的电 压 在 三分之一满载 时， 滞后 臂开 关管 关断时原边 电 流 为：， ： 在 输 出 的整流 电 压 中 ， 包含 有 高频 纹 波 成 分。 选 取滤 波 电 容主 要是 为了 满 ， ， 统 无论 是 工 作 在 升 压 状 态 还 是 降压 状 态 ， 解决 其 偏 磁 问题 尤为重 要。 图 厂：s胈 、 。 一连 。当误 差放 大 器端 的电 压 低于软 启 动 端 时， 误 差放 大 器端 的电 压 被 钳位 在软启 动 端的电 压 值。因此 软启 动 工 作时， 输出 级 的移 相 角从 逐 渐 增 大 ， 使 全 桥变 换 器的输出 脉 冲 从 零 慢 慢 增 大 ， 直 到 稳定工 作， 这 样 可以 减 少 主 功率 管的开通 冲 击 。改 变 电 容的值。可 以 改 变 软启 动 的时间， 有两 种 情 况它需 要放 电 接地 ：圪 低于门 槛 电 压 互 补 的输 出 信 号狟， 狣 设 置死 区 时间。在死 区 内 ， 外 部 功率 开 关 发 生 谐 振，为 了 适 应 谐 振电 容的充电 电 流的 差别， 两 个 半 桥 的延迟 时间可 单独 调整 。 ， 在选 择 的 驱动 电 路时 ， 考虑 到 驱动 电 路需 提供 足 够的 电 流， 在所 要求 的时间内 对 的 输 入 电 容充电 和放 电 ；变 换 器采用移 相 控 制方案 ， 每 个桥 臂 的两 个 开 关 管互 补 导通 ；能向开 关 管提供 正向栅 压 和反 向栅 压 ：每 个桥 臂 的 两 个 开 关 管的 驱动 电 路要相 互 隔离。最终 开 关 管的 驱动 采用脉 冲变 压 器隔离驱动 ， 其驱动 电 路如图 所 示 ， 该 驱动 电 路具 有开 关 频率 高、 驱动功率 大 、 结构 简 单且 具 有负 压 关 断 的 特 点 。图 中 和接到 同名 的 引 脚 上 ， 两 个 副边 输 出 分 别驱动 同一桥 臂 的 两 个 功率 管和。由 于驱动 变 压 器驱动 同一个 桥 臂 的两 个 功率 管， 因此 要求 绕组 之 间必 须 要满 足 一定的 绝缘电 压 。全 桥 变 换 器的 另外 两 个 开 关 管和采用相 同的 驱动 电 路。 和续 流时 仍 保 持 ， 因此 有利于和的 关 断 。同样 道 理 有利于和的 关 断 。在驱动 电 路中 为 栅 极 串 联 电 阻 ， 的 通 断 是通 过栅 极 电 路的 充放 电 来 实现 。因此 栅 极 串 联 电 阻 对 的 动 态 性能产生 极 大 的影响 ， 数值较 小的 栅 极 串 联 电 阻 使 栅 极 电 容的充放 电 较 快 ， 从 而 减 小开 关 时间和开 关 损耗 ， 该 驱动 电 路中 均取 为 的 稳压 管， 、辄 群图 降压 开 关 管的 驱动 电 路根 据 以 上 要求 ， 结合 升 压 变 换 电 路的 控 制原 理 ， 选 择 美 国 德州 仪 器公司诤辛礁鑫 蟛 罘 糯 笃 鱥 可由 两个 外 接元 件 隒， 来 调节。振荡 频率 为 ：也 可 以 双端 ， 一般 是作为 双端 输 出 类 型 的脉 宽 调制器功能强于 冲 的宽 度 线 性减 小。有关 波形 的时间关 系 ， 如图 所 示 厂几 厂几蔷当把 死 区 时间控 制输 入 端 设 置在一个 固 定的 电 压 值时 段 ，就 能在输 出 脉 冲 上 产生 附加 的死 区 时间。脉 宽 调制比较 器为 误 差放 大 器调节 输出 脉 冲 宽 度 提供 了 一条 途 径 ：例 如当反 馈 电 压 从 涞 时， 则 输出 脉 宽从 被 死 区 时间控 制输 入 端 确定的 最大 导通 时间里 下 降到 零 。 制端 接到 基 准 参 考电 压 端 ， 那 么 脉 冲 操 纵式 双稳态 触 发 器， 将 把 调制脉 冲 交替地 送 往 工 作在推 挽 状 态 的两 只输 出 管基 极 。输 出 管工 作频 率 等于振荡 器频 率 的一半