（控制理论与控制工程专业论文）电动车用移相pwm控制的双向dcdc变换器研究.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 储躲姓日期蝉年月一日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：咝导师签名罐日期：2 车卫月一日 摘要 双向d c d c 变换器( b i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r , b d c ) 可实现双象 限运行。主要应用于电动汽车，太阳能、风能等新能源发电，直流不停电 电源系统，航天电源系统等领域。双向d c d c 变换器的应用可大幅减小 系统体积，减轻重量和降低成本，有重要的研究价值。本文主要研究适用 于电动汽车的基于d s p 移相p w m 控制的隔离型双向双半桥d c d c 变换 器。 针对双半桥( d h b ) 双向d c d c 变换器在燃料电池电动汽车动力系统 中的应用，从正向( b o o s t ) 和反向( b u c k ) 两种模式对变换器拓扑的工作原 理、换流过程、稳态输出特性和软开关条件进行了详细的理论分析计算， 并且利用s a b e r 、p s p i c e 等仿真软件对电路在两种模式下的稳态工况和软 开关特性进行仿真研究。 重点研究了双半桥d c d c 变换器的数学建模和控制系统设计，通过 引入开关函数建立了双半桥变换器的简化和状态空间平均数学模型以及 线性小信号模型；基于该小信号模型，构建了变换器的双闭环控制系统， 通过波特图进行电流内环和电压外环控制系统的设计和优化。采用 m a t l a b s i m u l i n k 软件仿真，通过仿真证明了所设计的变换器控制系统具 有良好的动态性能和稳态精度。 最后进行了双半桥d c d c 变换器电路和基于d s p 的移相p w m 控制 系统设计。系统以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 芯片为控制器内核，研制了。 功率l k w 的双半桥d c d c 变换器实验样机，并进行了系统调试和实验验 证，实验结果表明了主电路在各种模式下都具有良好的稳态工作特性，功 率开关管能够实现零电压切换( z v s ) ，表明基于d s p 的移相p w m 控制 方案是完全可行的。 关键词双向d c d c 变换器，p w m 控制，移相控制，软开关，d s p a b s t r a c t b i d i r e c t i o n a ld c 1 3 c c o n v e r t e r ( b d c ) i st h e t w o q u a d r a n t o p e r a t i n gd c d cc o n v e r t e r n o w a d a y sb d c i si n c r e a s i n g l yu s e di nt h e a p p l i c a t i o n ss u c ha se l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) ，p h o t o v o l t a i cg e n e r a t i n ga n d w i n dp o w e rg e n e r a t i n g e t cv a r i o u sr e n e w a b l ep o w e rg e n e r a t i n g ，d c u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y , a e r o s p a c ep o w e rs u p p l ya n ds oo n t h e e m p l o y i n go f b d cc a nr e d u c et h es i z e ，t h ew e i g h t ，a n dt h ec o s to f p o w e rs y s t e m t h i st h e s i sc o n c e n t r a t eo nt h er e s e a r c ho fp h a s es h i i tp l u s p w m ( p s p p w m ) c o n t r o lb i d i r e c t i o n a l ，i s o l a t e db a s e do nd s p , d u a l h a l f - b r i d g ed c d cc o n v e r t e r i na c c o r d a n c ew i t ht h ea p p l i c a t i o no ft h ed u a lh a l fb r i d g e ( d h b ) b i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r ( b d c ) i nt h ef u e lc e l le vw a sp r e s e n t e d t h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e ，c o m m u t a t i o np r o c e s s ， s t e a d ys t a t eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c ，a n ds o i ts w i t c h i n gc o n d i t i o n so ft h i s c o n v e r t e rt o p o l o g yi nt h eb o o s ta n db u c ko p e r a t i n gm o d e ，h a v eb e e n m a d ei nt h et h e s i s ，a n dt h es t e a d ys t a t ec o n d i t i o n sa n ds o i ts w i t c h i n g c h a r a c t e r i s t i co ft h ec i r c u i t i nt h o s et w o o p e r a t i n gm o d e ， a r e d e m o n s t r a t e db yt h es a b e ra n dp s p i c e t h i st h e s i si sd e v o t e dt os t u d yt h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga n d c o n t r o ls y s t e md e s i g no fd h bd c d cc o n v e r t e rt o o s i m p l i f i e da n d s t a t es p a c ea v e r a g em o d e la n dl i n e a rs m a l ls i g n a lm o d e lo ft h ec o n v e r t e r p r e s e n t e da r eb u i l tb ya d o p tt h es w i t c h i n gf u n c t i o n b a s e do nt h i ss m a l l s i g n a lm o d e l ，d u a lc l o s el o o pc o n t r o ls t r u c t u r eo ft h ec o n v e r t e ri sb u i l d e d ， a n dc u r r e n ti n n e rl o o pa n dv o l t a g eo u t e rl o o pc o n t r o ls y s t e m sa r e d e s i g n e d n i c e rd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n ds t e a d yp r e c i s i o no fd e s i g n e d c o n v e r t e rc o n t r o ls y s t e ma r ev a l i d a t e db ym a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e f i n a l l y , h a r d w a r ec i r c u i ta n dd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo fd h bd c d c c o n v e r t e ra r ed e s i g n e di nt h i st h e s i s ，a n db u i l d e dap r o t o t y p eo flk w , w h i c ha d o p t st m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pa st h ec o n t r o l l e r d i g i t a lp h a s es h i f t p l u sp w mm o d u l a t i o ns c h e m ei sp r o p o s e db a s e do nd s ee x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o ni sc a r r i e do u to nt h i sp r o t o t y p e a n dt h er e s u l t sh a v ep r o v e d t h a tt h eh a r d w a r ec i r c u i th a sf a v o r a b l es t e a d yw o r k i n gp e r f o r m a n c ei n e v e r ym o d e ，a n dp o w e rs w i t c h e sc o u l dr e a l i z ez e r o v o l t a g es w i t c h ( z v s ) ，s h o w i n gt h a tt h ed s p b a s e dd i g i t a lp h a s es h i rc o n t r o lm e t h o d i sf u l l yf e a s i b l e i i k e yw o r d sb i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r p w mc o n t r o l ，p h a s e s h i f f c o n t r o l ，s o f ts w i t c h i n g ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) l i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题背景和意义1 1 2 双向d c d c 变换器概述2 1 2 1 双向d c d c 变换器的原理2 1 2 2 双向d c d c 变换器的拓扑结构3 1 2 3 多端口d c d c 变换器拓扑4 1 2 4 双向d c d c 变换器的控制方式6 1 3 双向d c d c 变换器的应用7 1 3 1 双向d c d c 在电动汽车中的应用7 1 3 2 双向d c d c 变换器在光伏发电系统中的应用“8 1 3 3 双向d c d c 变换器在风电系统中的应用9 1 4 双向d c d c 变换器研究现状和发展趋势1o 1 5 论文的主要研究内容和结构一1 0 第二章双半桥双向d c d c 变换器工作原理与结构分析1 3 2 1 电动汽车双向d c d c 变换器l3 2 1 1 燃料电池电动汽车能量管理系统1 3 2 1 2 蓄电池燃料电池电动汽车动力系统工作模式分析1 4 2 2 双半桥双向d c d c 拓扑结构的选择与分析1 5 2 2 1 主功率拓扑的选择15 2 2 2 控制方案选择15 2 2 3 拓扑电路的分析1 6 2 3 变换器等效电路17 2 4 变换器换流分析18 2 4 1 正向工作模式18 2 4 2 反向工作模式2 2 2 5 正向反向模式下的软开关条件2 2 2 6 本章小结2 2 第三章双半桥双向d c d c 变换器稳态特性分析与设计2 3 3 1 双向变换器输出特性分析2 3 3 2 变换器设计2 5 3 2 1 变压器漏感选择2 5 3 2 2 开关管应力分析2 6 3 2 3 输入电感设计一2 6 3 3 仿真验证2 6 3 4 本章小结2 8 第四章双半桥双向d c d c 变换器的建模及控制3 0 4 1 主电路建模3 0 4 2 双向d c d c 变换器的状态空间平均法建模3 0 4 3 双向d c d c 变换器小信号模型3 7 4 3 1 变换器小信号状态方程的推导和等效电路模型3 7 4 3 2 控制系统设计4 0 4 4 双向d c d c 转换器的仿真研究4 4 4 4 本章小结4 6 第五章样机设计与实验结果分析4 7 5 1 变换器磁性元件设计4 7 5 1 2 高频变压器设计4 7 5 1 2 直流正向升压电感器设计4 8 5 2 变换器主要器件选择及参数设计一5 0 5 2 1 功率开关管选择5 0 5 2 2 电容器选择5 1 5 2 3 驱动电路设计5 1 5 3 控制系统硬件设计5 l 5 3 1 系统控制电路总体框图5 1 5 3 2 采样电路设计5 3 5 4 控制系统软件设计5 3 5 4 1 主程序与中断服务程序5 4 5 4 2 基于d s p 的直接移相脉冲生成方法一5 5 5 5 实验结果分析5 7 5 6 本章小结5 9 第六章总结与展望6 0 6 1 总结一6 0 6 2 展望6 l 参考文献6 2 附j l i 2 6 7 至l 【谢6 8 攻读硕士学位期间发表的论文6 9 中南人学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题背景和意义 第一章绪论 帚一早珀下匕 当今世界，环境和能源问题成为世界各国关心的热点问题。随着环境污染和 能源危机的日益严重，世界各国采取了提高能源利用率、改善能源结构、探索新 能源、发展可再生能源等措施，以实现能源的可持续发展与和谐发展。2 0 0 6 年 开始实施的国家“十一五规划，以及可再生能源法，把能源作为国家发展战 略的重点，将可再生能源发电提高到战略高度，并通过国家立法，为其发展和应 用提供支持和保障。 一 全国政协副主席、科技部部长万钢在2 0 0 9 中国汽车产业发展国际论坛上说， 电动汽车作为新一轮经济增长突破口和实现交通能源转型的根本途径，已经成为 ， 世界各主要国家和汽车制造厂商的共同的战略选择。在各国政府的大力推动下， 世界汽车产业进入了全面的交通能源转型时期，越来越多的企业已经自觉把发展 新能源汽车、节能环保汽车、电动汽车作为今后发展的目标，共识正在形成，转 型已经起步。 我国在“十五 将混合动力电动汽车作为重点攻关项目，明确了我国的电 动汽车发展重点：燃料电池汽车发展居首位，第二为混合动力电动汽车，兼顾纯 电动汽车的基本原则。明确提出“三横三纵”的研发布局。在能源枯竭、环境恶 化的大背景下，这些“利好 消息无不透露出电动汽车的春天信息。“以电代油” 的电动汽车也因此站在了全球汽车产业竞技的制高点n 2 i 。可以预见，电动汽车产 业链将以生产电动汽车的整车厂商为核心，向上下游延伸，受益方包括整车及能 量转换和管理的d c d c 变换设备。 目前电动汽车电能动力系统动态性能差、不支持能量的双向流动( 不能吸收 汽车制动过程中产生的电能) 口4 1 的特点使得其作为动力源完全独立的为车辆行驶 提供动力还不完善。因此多能源匹配构成动力系统成为目前可行的方案。然而， 各种辅助能量装置的电气特性往往有很大差异，如何使这种由各种能量装置构成 的混合动力系统能够稳定的、可靠的、高效的工作，成为提高电动汽车动力性能 的关键问题曙卜1 。 双向d c d c 变换器是电动汽车( 包括燃料电池电动汽车、混合动力电动汽车、 一一 纯电动汽车等) 系统的动力系统重要部件，是构成能量双向流动实现能量有效管 理和改善动力性能等不可缺少的关键环节。 目前各种电动汽车所使用的大功率d c d c 变换器存在着自身的功率损耗较大， 能量转换效率不高等问题阳，1 0 1 。而且大部分方案往往没有考虑燃料电池等电源较 中南大学硕士学位论文第一章绪论 软的输出特性。设计出符合燃料电池等输出特性的大功率d c d c 变换器，不但可 以改善燃料电池的输出特性，而且还可以更加有效的保护燃料电池，延长燃料电 池的寿命n 。 本文结合p 1 】l m 移相控制策略，设计双端口双半桥拓扑的小功率双向d c d c 变 换器。有效地选取和调节变换器的各个参数，不仅关系到燃料电池和整车系统的 正常运行，而且也关系到整个燃料电池轿车的动力性能、能源利用效率及其他 控制系统的稳定可靠运行卜n 射。研究高效隔离式双向d c d c 变换器对于燃料电 池电动汽车的开发研制具有十分重要的理论意义和工程应用价值。 1 2 双向d c d c 变换器概述 d c d c 变换器将输入的直流电压，经过高频斩波或高频逆变后，通过整流和 滤波环节，转换成所期望幅值的直流电压。它在新能源利用、家用电器、工业控 制、通信、国防、交通等领域都有广泛的应用n 钔。 1 2 1 双向d c d c 变换器的原理 双向d c d c 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，实现电能双向流动的直流变换器n5 l 。如图1 1 所示是双向d c d c 变换器结构图。 二二二爿，l o n j l 一一11 双向d c d c 变换器 1 i 一1 n + ( 二二= 删，1 2 唬即纥占相位超前v c d 时，弓 0 即功率从乃口 流向v c d ：当办 0 ，昱 0 即功率从v c d 流向虼占。 文献 3 5 1 、 4 3 q b 分析了有关传输功率与移相角的定量关系。 r 西k i 1 1 一 l i- i l i - - _ l ：沙：厂 一 厂 ，i 7 ； ：p ( a ) 移相控制方式原理图；( b ) 电压电流波形图 图1 5 移相控制方式的等效电路和电压电流示意图 3 移相p w m 控制 由于相移控制当输入输出电压幅值不匹配时，变换器的电流应力和有效值会 大大增加，其效率会受到输入电压和输出电压变化的影响，文献 2 】、 3 4 提出了 p w m 加移相复合控制的单输入不对称半桥双向d c d c 变换器，其等效简化电路 6 中南人学硕士学位论文第一章绪论 以及电压电流波形如图1 - 6 所示，通过占空比的p w m 控制相当于在等效输入电 压玖曰和等效输出电压v c n 之间加入了一个电子变压器，使玖口和v c n 幅值始终 匹配，并通过移相角的控制来调节传输功率大小和方向。该控制方式作为移相控 制的改进方式，在m c i 型多输入d c d c 变换器中也得到应用，通过该方式控制 开关管的通断，可以降低电流应力和通态损耗，并且在某一端输入电压变化范围 较大时，拓展软开关工作范围阱瑚1 。 t n d l 疋 ( 1 一d 1 t j 1 4 - 一m m l i ： l i i 一d 屹 厂弋厂弋一 1 、j 豺iy 一 ：! i 。 ( a ) 移相控制方式原理图：( b ) 电压电流波形图 图1 - 6 移相p w m 控制方式的等效电路和电压电流示意图 1 3 双向d c d c 变换器的应用 1 3 1 双向d c d c 在电动汽车中的应用 图卜7 中显示了意大利r o m a t p d 三大学在2 0 0 2 年提出的一种混合电动汽车 ( h e v ) 动力系统结构图口鄹，它包括燃料电池，超级电容器和蓄电池组。燃料电池 是动力系统的主电源。由于燃料电池在轻载的情况下效率很低，在这种情况下就 需要由蓄电池储能装置来提供牵引功率。燃料电池发电系统通过设定可以提供 8 0 的最大行驶功率，而另外2 0 的最大行驶功率就是由蓄电池储能装置提供。 但是燃料电池发电系统既不能回收功率，又不具有较好的动态响应条件。为了提 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 7 混合储能装置的电动汽车驱动系统结构图 高电能利用效率和减少排放，就需要辅助储能装置来快速提供汽车启动加速时的 功率输出和减速制动时的能量回馈。然而在蓄电池单独作为辅助储能元件的情况 下，当驱动大功率脉动负载时，由于蓄电池需要补偿瞬时的峰值功率需求，这会 造成损耗的增加和温度的升高，降低蓄电池的寿命。超级电容器由于充放电速度 快，效率高，在瞬时储能方面要优于蓄电池，将蓄电池与超级电容器结合，应用 到汽车动力系统中，通过超级电容器的充放电来满足加速和减速瞬间的功率需 求，可以提高功率特性和效率，降低成本，延长蓄电池使用寿命，缩小储能装置 的体积和重量。 1 3 2 双向d c d c 变换器在光伏发电系统中的应用 图1 8 是采用混合储能的光伏发电系统结构示意图畸3 。由于光伏发电受光照 条件影响很大，输出功率具有随机性的特点，因此，需要配置储能缓冲装置来确 保供电的连续性和可靠性。为了提高发电利用率，光伏系统常常工作于m p p t 方 式，这种因环境因素变化而引起的发电功率波动就更明显了，主要表现为输出电 流的脉动。在这种情况下，通过使用蓄电池超级电容器混合储能系统，在正常条 件下通过蓄电池来提供较低的连续功率，而在出现大电流的负荷脉动时，通过超 级电容器来提供瞬时峰值功率，从而大幅度提升储能系统的性能1 。 ：i 一一一一 r 二三：燮：一一一一一一- j 中南火学硕士学位论文第一章绪论 图1 8 双向d c d c 变换器在分布式光伏发电系统结构图 1 3 3 双向d c d c 变换器在风电系统中的应用 图1 - 9 是风力发电电能管理系统( s e s 川) 的示意图h 。该系统是由通过直流 母线互连的四个主模块组成。随机电源模块包含功率输出随机的风力发电设备， 其功率输出是随时间而变化的。电网接口模块包括电力电子变流器和变压器。长 期进路储能模块起到能量存储的作用，短期进路储能模块是用来在负荷功率需求 发生脉动时提供瞬时的功率需求量。通过该模块可以实现快速的调节控制，避免 来自随机电源的短期功率波动传送到电网中。因此，蓄电池和超级电容器储能元 件在该系统中可以有机地结合起来，通过发挥各自的优势来改善风力发电设备的 供电可靠性，提高对电网的供电质量。 另外，双向d c d c 变换器还广泛应用于航空航天电源、直流不问断电源 ( u p s ) 、通信电源等各种电源以及储能系统。 图1 - 9 风力发电管理系统, ( s e s a m ) 的结构示意图 然而，如何选择和设计一种合适的电力电子变换器，使混合储能装置 ( 蓄电池和超级电容器) ，主电源( 如燃料电池、风力发电和光伏发电设备) 与负载之间有效地结合起来，成为一个尚待解决的难题。 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 双向d c d c 变换器研究现状和发展趋势 在高频化和大容量化方面，国内外对d c d c 变换器的研究都取得了长足的 进展，其发展速度是相当快的。在高频化方面，国外己研制出了开关频率几千赫 兹甚至几十千赫兹的d c d c 变换器，国内对几千赫兹的d c d c 变换器的研究也 正日趋成熟。在大容量化方面，国内d c d c 变换器单机输出功率己达到了几千 至十几千伏安。d c d c 变换器中软开关技术的使用越来越普遍，逐渐取代了硬开 关技术，已成为趋势。最早的软开关技术是谐振变换器( r e s o n a n tc o n v e r t e r ) 。但 是谐振变换器，诸如串联谐振变换器( s e r i e sr e s o n a n tc o n v e r t e r ，s r c ) 、并联谐振 变换器( p a r a l l e lr e s o n a n tc o n v e r t e r , p r c ) 、以及准谐振变换器( q u a s i r e s o n a n t c o n v e r t e r ，q r c ) 和多谐振变换器( m u l t i r e s o n a n t c o n v e r t e r ，m r c ) 很难实现p w m 控制，而是通过频率调制方式( f r e q u e n e ym o d u l a t i o n ，f m ) 来控制。为了在很宽的 输入电压和负载变化范围内调节输出电压，开关频率范围要求很宽，一方面使得 控制方式变得复杂，另一方面也使得输出滤波器的优化设计十分困难，磁性元件 体积和重量的减小受到限制，而且开关管和谐振电感、谐振电容的电压和电流应 力较大。 为了消除因频率调制而造成的缺点，人们提出了恒频谐振变换器。尽管这类 变换器的开关频率恒定，但是由于变换器的谐振电感串联在主电路内，谐振电感 和电容一直参与工作，一方面开关管和谐振电感、谐振电容的电压和电流应力较 大，另一方面变换器在轻载时可能失去零开关条件。 为了减小开关管和谐振电感、谐振电容的电压和电流应力，d r c t c h u a 在9 0 年代相继提出了零电压转换( z e r o v o l t a g e - t r a n s i t i o n ，z v t ) 和零电流转换 ( z e r o c u r r e n t t r a n s i t i o n ，z c t ) 的概念。其主要原理是：变换器采用p w m 控制， 开关频率恒定，谐振电路只是在开关切换时才工作，使主开关管实现z v s 或z c s 。 z v t 和z c t 的思想就是将p w m 控制和谐振变换器结合起来，既可实现恒 频控制，又能实现开关管的软开关，同时也减小了开关管和谐振电感、谐振电容 的电压和电流应力，是d c d c 变换器技术发展的趋势之一h 羽。， 1 5 论文的主要研究内容和结构 双向d c d c 功率变换器要在电动汽车、航天等许多应用场合获得实际应用， 但仍面临三大问题，即双向d c d c 功率变换器的功率密度、电磁兼容性和成本 问题。软开关技术是解决功率密度和电磁兼容性问题的关键技术。 目前双向d c d c 功率变换器的软开关方法主要可以分为采用辅助开关软开 关方法和不采用辅助开关软开关方法。采用辅助开关的软开关法有：零电压转换 l o 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 孙，t ) 和零电流转换( z c t ) 双向d c d c 功率变换器、有源钳位双向d c d c 功率变换器。零电压转换( z v t ) 和零电流转换( z c t ) 双向d c d c 功率变换器 结合了p w m 工作和谐振变换器的优点，但需要额外引入辅助开关，且辅助开关 通常为硬开关，在辅助开关上仍存在较大的开关损耗，因此实用性并不高。有源 钳位的双向d c d c 功率变换器也结合了p w m 工作和谐振变换器的优点乜7 1 ，但是 也需要额外引入辅助开关。典型的有源钳位电流全桥式双向d c d c 功率变换器 虽然正向工作时可以实现软开关，但反向工作时辅助钳位开关为硬开关。因此， 目前，采用辅助开关的软开关双向d c d c 功率变换器存在电路元件多，需要额 外引入辅助开关及其控制电路等缺点，因此影响成本和功率密度。而且，仍存在 由于硬开关操作造成的开关损耗和电磁干扰问题。 不采用辅助开关软开关方法有：谐振、准谐振、多谐振双向d c d c 功率变 换器、准方波零电压开关双向d c d c 功率变换器、相移控制双向d c d c 功率变 换器。它们的显著优点是无需增加辅助器件即可实现功率器件的零电压或零电流 开关条件，电路简单、可靠、经济。但谐振、准谐振、多谐振技术的双向d c d c 功率变换器由于基于l c 谐振工作原理口鲫，存在功率器件电压和电流应力大，通 态损耗高，软开关的负载范围受限等缺陷，而且，采用变频控制，电路参数优化 困难，最终影响功率密度的提高；软开关准方波零电压开关双向d c d c 功率变 换器虽然可以定额工作，但存在电流脉动大、功率器件通态损耗和铁心损耗大的 缺点；相移控制双向d c d c 功率变换器具有功率器件电压和电流应力小，额定 工作无需增加辅助器件即可实现功率器件的零电压开关条件等优点7 1 ，但当功率 变换器的输入电压或输出电压偏离标称电压时，移相控制在电路中造成严重环 流，导致通态损耗的迅速增加和软开关条件的破坏，在电动汽车、航天等能量管 理系统中，功率变换器的输入和输出电压的变化范围很大，严重影响移相控制双 向d c d c 功率变换器的应用。p w m 控制具有器件的电压电流应力低、通态损耗 小、无环流的优点，但功率开关为硬开关。若能将相移控制和p w m 相结合，发 挥p w m 控制对双向d c d c 功率变换器的输入和输出电压大范围变化适应性强的 优点，发挥移相控制具有无须辅助开关即可实现双向d c d c 功率变换器零电压 开关的能力优势h 引，就可较好的解决双向d c d c 变换器在应用中所遇到的问题。 本文在深入了解双向d c d c 变换器最新研究动态和方向的基础上，分析介 绍一种新型的中、小功率双向半桥零电压切换( z v s ) d c d c 变换器的拓扑结构。 把软开关技术和p w m 控制技术以及双向d c d c 变换器技术有机结合在一起，有 效降低了电路的开关损耗和开关噪声，减少了器件开关过程中产生的电磁干扰， 为变换器装置提高开关频率和效率、降低尺寸和重量提供了良好的条件。同时， 还保持了常规的硬开关半桥p w m 双向d c d c 变换器中拓扑结构简洁、控制方式 简单、开关频率恒定和元器件的电压和电流应力小等优点，完成了l k w 双半桥 中南大学硕士学位论文第一章绪论 d c d c 变换器的设计和研制，进行了系统调试和实验，分析了实验结果。 本文结构说明如下： 第一章绪论部分介绍了课题的研究背景，双向d c d c 变换器的基本概念，应 用场合，拓扑的衍化方式和国内外的研究现状，提出一种实用于燃料电池电动汽 车的双向半桥d c d c 变换器的基本要求和解决的方法。 第二章详细分析了所提出的适用于电动汽车的双向d c d c 变换器的工作原 理，根据各个开关管的开关状态，分析该等效电路的换流过程，推导出了实现软 开关的条件。 第三章结合所提出的双向d c d c 变换器的稳态特性对电路的输出做了详尽 的分析，并为实现该特性对电路中主要元件参数的选取原则进行推导和计算，并 通过仿真进行了可行性验证分析。 第四章利用开关函数对所提出的双向d c d c 变换器进行状态空间平均模型 建模，并推导出该变换器的小信号模型和闭环框图。利用变换器的仿真数据进行 了补偿器的设计与分析。 第五章对所提出的双向d c d c 变换器进行理论分析和软件仿真可行性论证 的基础上，设计了一个频率为2 0 k h z ，功率为1 k w 的实验样机。设计了基于 t m 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 的移相p w m 控制算法的程序，实验结果证明，理论分析和仿 真的正确性。 第六章对全文的所做工作进行总结和对课题进一步研究的展望以及提出研 究的建议。 1 2 中南大学硕士学位论文第二章双半桥双向d c d c 变换器- 下作原理与结构分析 第二章双半桥双向d c d c 变换器工作原理与结构分析 本章对本文提出的一种双半桥双向d c d c 变换器拓扑图进行了原理分析， 并给出了此变换器的主电路参数设计。所提出的双向d c d c 变换器可以在不用 增加辅助电路的情况下实现开关管的零电压通断，并且各开关管的反并联二极管 的反向恢复特性良好。 2 1 电动汽车双向d c d c 变换器 2 1 1 燃料电池电动汽车能量管理系统 双半桥双向变换器的结构简单，隔离变压器的两端各有一个对称半桥。变换 器中的功率传输由两个对称半桥之间的移相控制。无需另外加入任何辅助开关或 无源谐振网络，变换器中的所有开关均可在双向变换中工作于零电压开通状态， 且开关的电压应力低。另外电路中没有大的延时器件存在，变换器的动态响应较 快。此变换器主要用于混合动力汽车燃料电池的辅助启动。该变换器实现了输入 端与输出端之间的双向功率流动，与前述所提到的其它拓扑的直流变换器相比 较，具有下列优势h 引：( 1 ) 元器件数目少；( 2 ) 在没有辅助器件和谐振电路的情况下， 能够在较大的负载范围内实现软开关；( 3 ) 控制简单。此外，双半桥( d h b ) d c d c 变换器的另一个重要优势是可以提供连续的输入电流，从而适合于连接蓄电池、 超级电容器等储能元件。通过对输入电感电流的控制，也可以很容易实现每个输 入端之间的功率分配。 i i 卜中觥 缀澎 弘，蟊 彩暇向秀 ：d c d c 7 ， i 变换嚣 k 叠 ll 图2 - l 燃料电池电动汽车能量管理系统框图 近年来国内外的研究表明，蓄电池与燃料电池混合使用，蓄电池能量密度大 的特性显著提高功率和电能利用效率，降低成本。蓄电池构成辅助储能装置连接 的双向d c d c 变换器是此能量管理系统中的重要组成部分之一。通过双向d c d c 变换器可以满足这两个方面的要求：( 1 ) 蓄电池供电时，双向d c d c 变换器工作在 升压放电( b o o s t ) 模式，在输入电池电压波动的情况下，使输出直流母线电压稳定 中南大学硕士学位论文第二章x x t 桥双向d c d c 变换器工作原理与结构分析 在高压2 8 8 v ，实现燃料电池的快速启动，并提高牵引电动机的驱动性能；( 2 ) 在汽 车刹车制动时，双向d c d c 变换器工作在降压充电( b u c k ) 模式，将由机械能转化 而来的电能回馈给蓄电池h 5 1 。燃料电池电动汽车能量管理系统如图2 1 所示。 要使蓄电池和主电源( 燃料电池) 与负载之间有效地结合起来，需要一种合 适的双端口双向d c d c 变换器。选择两端口双半桥( d h b ) d c d c 变换器来作为 蓄电池和逆变器接口电路。 2 1 2 蓄电池燃料电池电动汽车动力系统工作模式分析 采用蓄电池燃料电池电动汽车驱动牵引系统根据汽车行驶过程中的不同状 态，有以下三种工作模式嘲： ( a ) 模式l ，启动，加速模式( b ) 模式2 ，稳定运行模式 ( c ) 模式3 ，刹车制动模式 图2 - 2 燃料电池电动汽车驱动牵引系统的工作模式示意图 工作模式l ：在汽车启动和加速时，燃料电池所发出的功率小于电机负载所 需要的功率，此时燃料电池和储能元件蓄电池、同时向负载供电； 工作模式2 ：当汽车行驶速度稳定时，燃料电池不但要保证给牵引电机供电， 同时还要将蓄电池充电到合理状态，以备加速爬坡时能提供瞬时功率输出，或者 回收制动能量； 工作模式3 ：在刹车制动阶段，燃料电池停止供电，牵引电机工作在发电机 状态，此时将制动能量回馈给储能装置，向蓄电池充电。 图2 2 中显示了各种工作模式下，系统的能量流动方向。其中在模式1 中， 蓄电池处于放电状态，此时双半桥d c d c 变换器工作在正向b o o s t 升压模式，使 电能由低压侧流向高压侧时，高压侧电压达到预期值并保持恒定；而在模式3 中， 双半桥d c d c 变换器工作在反向b u c k 降压模式，通过回收制动能量对混合储能 中南大学硕十学位论文 第二章双半桥双向d c d c 变换器t 作原理与结构分析 装置进行充电；在模式2 中，双半桥变换器的工作状态处于半工作或待工作状态， 实际上是b o o s t 和b u c k 模式的过渡阶段。为了实现高效的电动功率分配和制动能 量回馈，双半桥d c d c 变换器需要采用合理的控制方式，根据不同的负载情况 来决定能量的流动方向，从而确定双向变换器的工作状况。本文将对双半桥 d c d c 变换器在b o o s t 和b u c k 两种基本模式下的工作原理进行讨论。 2 2 双半桥双向d c d c 拓扑结构的选择与分析 2 2 1 主功率拓扑的选择 在d c d c 变换器中，b u c k 、b o o s t 、b u c k - b o o s t 、c u k 、f l y b a c k 和f o r w a r d 等单管构成的电路一般只适用于中小功率场合，而在中大功率场合，则一般采用 半桥变换器。此外，由于本论文所研制的d c d c 变换器是将蓄电池输出的低压 2 4 v 直流电，变换成3 0 0 v 稳定不变的直流电输出，输入输出差别比较大，所以 非隔离型d c d c 变换器是不适用的。在隔离型的d c d c 变换器中，正激电路需 磁复位绕组，变压器单向磁化，利用效率低。推挽电路铁芯容易引起直流偏磁饱 和。反激变换器的功率很难做大，一般只用在数十瓦到百瓦级的功率变换场合。 对于半桥d c d c 变换器，由于开关管承担的电压电流应力小，功率变压器 为双向磁化，磁芯利用效率高，易于实现大功率输出。半桥d c d c 变换器可以 分为两类：一类是电压型，一类是电流型。电压型d c d c 全桥变换器是一种类似 于b u c k 型的变换器，电路结构简洁，控制简单；电流型d c d c 全桥变换器则是 一种类似于b o o s t 型的变换器，该变换器的电感处于输入电源侧，可用于大功率 功率因数校正电路。 综上所述，本变换器的主功率电路采用的是带隔离变压器的双向( 正向升压 b o o s t ，电流型，反向降压b u c k ，电压型) d c d c 双半桥拓扑结构。 2 2 2 控制方案选择 传统的p w m 全桥变换器，由于工作在硬开关状态，因而影响了效率的提高； 谐振变换器可以工作在软开关状态，但它的输出变化是通过调节开关频率来实现 的，这就给滤波器的优化设计带来了麻烦口5 1