（机械电子工程专业论文）基于超级电容的起重机峰值动力与惯性能量回收系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 超级电容器是上世纪六七十年代在美国出现，并于八十年代逐渐走向市场 的一种新型储能器件。它兼有常规电容器功率密度大，充电电池能量密度高的 优点，可以快速充放电，而且寿命长，是一种高效实用的储能器件。超级电容 可应用于港口起重机械上，它可以较好的解决起重机峰值动力与惯性能量回收 问题，起到节能、环保的效果。 为了解决能量的双向传输问题，本文提出了一种移相全桥软开关双向d c d c 变换器。它是以超级电容为控制对象，以t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 芯片为 控制核一心的数字式变换器。该变换器具有较宽的软开关负载适应范围，减小了 丌关损耗，降低了变换器的通态损耗，从而大大缩小变换器的体积和重量，提 高了变换器的功率密度和动态响应，同时还保持了常规硬开关全桥d c 变换器的 拓扑结构简洁等优点。 全文共分六个部分。绪论部分介绍了超级电容的结构特点、现状和应用情 况，介绍了整个系统概况，并对作者所做的工作给予说明；在第二章给出了双 向d c d c 变换器的工作原理；第三章研究了双向d c d c 变换器的主电路设计及 驱动电路设计；第四章对双向d c d c 变换器的控制系统做了详细的分析，介绍 了控制系统的软硬件设计；第五章是系统的仿真和实验；第六章是总结和展望 部分。 本文在研究过程中采用仿真软件p s p i c e9 2 对设计方案进行了仿真研究， 验证了主电路拓扑结构的可行性，在此基础上做了原理性实验，并给出了实验 波形。 本文还对变换器的控制系统进行了详细介绍，强调了控制系统的稳定性、 抗干扰性，并对控制系统的软硬件设计进行了经验小结。 关键词：超级电容，软开关，双向d c d c ，d s p ，p s p i c e 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s u p e r c 印a c i t o ri san o v e le n e 唱ys t o r a g ec o m p o n e n t ，w h i c h 印p e a r e si nu ss i n c e 1 9 6 0 s ，a n dm o v e st o w a r d st h em a r k e tg r a d u a l l yi nt h e1 9 8 0 1 s i ti r l t e g r a t e s a d v a i 】t a g e s ，s u c h a sh i 曲p o w e rd e n s i t yc h a r a c t e r i z e db yc o n v e m i o n a lc 印a c i t o r s ， h i 曲e n e r g yd e n s i t yc h a r a c t e r i z e db yr e c h a r g e a b l eb a 仕e r i e s ，t h ef 如tc h a r g e d i s c h 锄了e p e r f o m a n c ea 1 1 dt h cl o n g1 i f e t h u s ，i ti se x p e c t c dt ob ea ne n e r g ys t o r a g ec o m p o n e n t w i t hh i 曲e f f i c i e n c ya i l dp r a c t i c a b i l i t y t h es u p e r c a p a c i t o rc a i la p p l yo nm eh a r b o r h o i s t i i l gm a c l l i n e r y i tn l a yp r e f c r a b i yr e s 0 1 v eh o i s tc r a n ep e a l 【p o 、v e ra n dm ei r l e n i a e n e r g yr e c y c l i n gq u e s t i o n ，g e t t i n gu pt ot h ee n e r g yc o n s e r v a t i o n ，t h ee n v i r o n m c n t a l p r o t e c t i o ne 廿j c t i no r d e rt os o l v e 也ee n e 娼yt w o w a yt r a l l s m i s s i o np r o b l e m ，t h j sa r t i c l ep r o p o s e s o n ek i n do fp h 船e - s l l i 盘e df u l l m 吨es o n - s w i t c h i n g b i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e n e l i tt a k e st h es u p e r c 印a c i t o ra st h ec o n t r o l i e dm e m b c ra n dt a k e st ic o r p o r a t i o n s t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pc h i pa sc o n 廿o lc o r et h ec o n v e n e rm a i n t a i n ss o rs w i t c h i n g i nw i d el o a dr a n g e ，a n dr e d u c e ss 、v i t c l l i n gl o s s e s a sar e s u l t ，w e 培ha n dv o l i m l eo f t h ec o n v e n e r 谢l lb er e d u c e dl a r g e l y a n d 也ec o n v e r t e r 、v i l lh a v em 曲p o w e rd e n s i t y a n df a s td y n 锄i cr e s p o n s e a tn l es 哪et i m e ，t h ec o n v e n e rh a st 1 1 ev i n l l eo fs 仃u c t l l r e c o m p a c to f o r d j n a r yh a r ds w i t c hc o n v e r t e t t h ea r t i c l ed i v i d e si n t os i xp a n s p r o l e g o m e n o np a no ft 1 1 ea i t i c l ei n 仃o d u c e s s u p e r c a p a c i t o rc h a r a c t e r i s t i c s ，a p p l i c a t i o ns i t i l a t i o n ，s y s t e mp r o f i l ea 1 1 dm ew o r kd o n e b yt l l ea u t h o n t h eb i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e rw o r kp r i n c i p l e si sp f o v i d e di nt h c s e c o n dc h a p t e t t h ec o n v c n e rm a i nc i r c u i td e s i g na n dm ed r i v i i l gc i r c 疵d e s i 髓i s i n v e s t i g a t e di nt h et 1 1 i r dc h 印t e l t h ec o n v e r t e rc o n 廿o ls y s t e mi sa n a l y z e dd e t a i l e d l y a n dt h ec o n t r 0 1s y s t e ms o f t w a r ea n dh 甜d w a r ed e s i g ni si n t r o d u c e di nt h ef o u r m c h a p t c lt h es y s t e ms i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n ti sd o n ci nt 1 1 ef i 舫c h a p t e r f i n a l l y ， t h es u m m a r ya n df o r e c a s to f t h ea n i c l ei sg i v e ni n 也es i x mc h a p t e l p s p i c es i m u l a t i o ni su s e di nt h ep r o j e c t ，w h i c hv a l i d a t et h ef e a s i b i i i t yo f s t m c t u r e t h ee x p e r i m e n ti sd o n eb a s e do nt h es i m u l a t i o n ，a i l dm ee x p e r i m e n t a lw a v e sa r e i i 武汉理工大学硕士学位论文 g l v e n - t h i sa n i c ka l s oi n t r o d u c e st h ec o n 乜o ls y 咖mo fm eb i d i r e c t i o n a ld c d c c o n v e r t e li te m p h a s i z e st h ec o n t r o ls y s t e ms t a b i l i t ya n dt h e 枷- j a m m i n g f i n a 】ly e x p e r i e n c eo f t h e c o n 垃o ls y s t e ms o 矗w 醯ea i l dh a r d w 甜ed e s i g ni ss 啪m a d z e d k e yw o r d s ：s u p e r c a p a c i t o r ，s o m s w i t c h i n 昏b i d i r e c t i o n a ld c ，d cc o n v e n e f ，d s p ， p s p i c e 武汉理工大学硕十学位论文 1 1 课题的提出 第1 章绪论 近年来，随着现代社会的不断发展，人们对节能、环保的呼声越来越高。 确实，这一主题已经成为中国甚至是世界人民的共同话题，使得节能产品如低 功耗产品不断涌现。超级电容的出现，就是一个很好的证明。 超级电容器是近年来新型能源器件的一个研究热点，它与常规电容器不同， 其容量可达到法拉级甚至数万法拉，而且能在电极端电压超过额定电压的过充 电状态下不被击穿。在电动汽车和混和动力汽车的能源再生系统中，超级电容 器在车辆起动、加速、制动能量回收等短时间大功率工作条件下起到了良好的 效果，有效的替代了传统铅蓍电池的功用，目前已有应用超级电容的电动汽车”1 。 在港口装卸方面，超级电容可应用于交流变频调速系统的港口机械中，如门座 式超重机，场桥，岸边集装箱起重机等，用来储存重物下降时的释放能量，并 且在重物上升时能释放能量，解决峰值动力问题，起到明显的节能，环保效果“1 。 超级电容应用于场桥( i 盯g ) ，效果还是相当显著的。具体主要表现在如下 几点：1 ) r t g 过去在起升货物，启动瞬间排气管喷放污染环境的黑烟不见了。 2 ) 在下降时，用来吸收货物位能的电阻箱不再有电流输入。3 ) 当切断内燃机 供电之后，r t g 照旧可以运行一段时间。超级电容在岸边集装箱起重机上也有 良好的表现，如因为超级电容可以吸收和储存下降位能，它可以取消一套专向 电网反馈货物下降能量的电控柜，由此可减少反馈谐波对电网的影响，更重要 的是它可以减小高压电气柜设备容量，降低成本。 鉴于上述原因，本课题对基于超级电容的起重机峰值动力与惯性能量回收系 统进行了研究，主要研究的是超级电容为控制对象，以t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 芯片为控制核心的软开关移相全桥双向d c d c 变换器。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 超级电容的概述 1 2 1 超级电容的结构特点 超级电容器( s u p e r c a p a c i t o r ) 是近年来出现的一种新型能源器件，与常规 电容器不同，其容量可达法拉级甚至数干法拉。它兼有常规电容器功率密度大、 充电能量密度高的优点，可快速充放电，而且寿命长，今后很有可能发展成为 一种新型、高效、实用的能量储存装置，因此有人认为它是介于充电电池和电 容器之间的一种新型的能源器件。根据电容器的原理，电容量取决于电极间距 离和电极表面积。为了得到如此大的电容量，为此超级电容仅可能的缩小电极 间距离，增加电极表面积，为此采用了双电层原理和活性炭多孔化电极。超级 电容的双电层介质在电容器两电极旌加电压时，在靠近电极的电介质界面上产 生与电极所携带电荷相反的电荷并被束缚在介质界面上，形成事实上的电容器 的两个电极。由于两电极的距离非常小，仅几纳米，同时活性炭多孔化电极可 以获得极大的电极表面积，因而这种结构的超级电容器具有极大的电容量并可 以储存很大的静电能量”。 目前超级电容器的分类方法并未完全统一。一般认为超级电容器包括双电 层电容器( e l e c t r i cd o u b l e1 a y e rc a p a c i t o r 简称e d l c ) 和电化学电容器 ( e 1 e c t r o c h e t 1 i c a lc 印a c i t o r ) 两大类，其中双电层电容器按电解质的不同可 分为液体双电层电容器和固体双电层电容器，液体双电层电容器又可分为水系 电解质和非水系电解质两类：电化学电容器根据电极材料的不同可分为金属氧 化物和导电性高分子聚合物两类电化学电容器。超级电容器的工作原理、结构 与普通电容器有很大不同。从结构上看，超级电容器主要由极化电极、集电极、 电解质、隔离膜、端板、引线和封装材料几部分组成。电极的制造技术、电解 质的组成和隔离膜质量对超级电容器的性能有决定性的影响，电解质的分解电 压决定超级电容器的工作电压，所以以水溶液为电解液的电容器工作电压只有l v 左右，而有机电解液的可达3 v 左右“”。 本系统之所以选择用超级电容器，是因为它具有以下优点：它具有很高的 功率密度，超级电容的内阻很小，并且在电极溶液界面和电极材料本体内均能 实现电荷的快速存储和释放，因而它的输出功率密度高达数k w k g ；它具有极 长的充放电循环寿命，超级电容在充放电过程中没有发生电化学反应，其循环 2 武汉理工大学硕士学位论文 寿命可达十万次以上，甚至上百万次；它的贮存寿命极长，超级电容充电之后 贮存过程中，虽然也有微小的漏电电流存在，但它并没有出现化学或电化学反 应，没有产生新的物质，因而超级电容的贮存寿命几乎可以认为是无限的；它 无须特别的充电电路和控制放电电路；它和电池相比，过充、过放都不对其寿 命构成负面影响；超级电容器工作过程中没有运动部件，维护工作极少，也不 必像蓄电池那样要充电维护，因此超级电容的可靠性是相当高的“1 。 超级电容器具有功率密度高( 大于1 k w k g ，甚至几十k w k g 1 ) 、寿命长 ( 1 0 6 次以上) 、使用温度宽( 一4 0 6 0 ) 以及充电迅速等优异特性，各国政府 和公司都积极开展此方面的研究开发工作，并已有各种产品得到了商业应用。 1 2 2 超级电容的现状及应用 目前，俄罗斯、美国、日本等国就超级电容器已开展了大量研究工作，并 取得了一定的进展。美国x w e l l 公司的p c 系列产品体积小、内阻低、长方体形 结构，产品一致性好，串并联容易，但价格较高；日本的n e c 公司、松下公司、 t o k i n 公司均有系列超级电容器产品，其产品多为圆柱体形，规格较为齐全，适 用范围广，在超级电容器领域占有较大市场份额；俄罗斯e c o 公司对超级电 容器已有2 5 年的研究历史，该公司代表着俄罗斯的先进水平，其产品以大功 率超级电容器产品为主，适用于作动力电源，且有价格优势。 超级电容器因其优异特性而使其在各个领域得到了广泛应用，如用做存储 器、微型计算机、系统主板和钟表等的备用电源；用做电动玩具车主电源、内 燃机中启动电力、太阳能电池辅助电源、港口起重机辅助电源，还可应用于航 空航天等领域。电动汽车对动力电源的要求引起了全世界范围对超级电容器这 一新型储能装置的广泛重视。传统动力电池在高功率输出、快速充电、宽温度 范围使用以及寿命等方面存在一定的局限性，有些苛刻条件可能会显著降低电 池的寿命。而超级电容器能较好地满足电动车在启动、加速、爬坡时对功率的 需求，若与动力电池配合使用，则可减少大电流充放电对电池的伤害，延长电 池的使用寿命，同时还能通过再生制动系统将瞬间能量回收于超级电容器中， 提高能量利用率。因而，超级电容器是近年来电动车动力系统开发中的重要领 域之一”“”。在国外，美国m a x e l l 公司所开发的超级电容器已在各种类型电 动车上都得到良好应用。本田公司在其开发出的第三代和第四代燃料电池电动 车f c x 2 v 3 和f c x 2 v 4 中，分别使用了他们自行开发研制的超级电容器来取代二次 3 武汉理工大学硕士学位论文 屯池，减少了汽车的重量和体积，使系统效率增加，同时可在刹车时回收能量， 测试结果表明：使用超级电容器时燃料效率和加速性能均得到明显提高，启动 时间明显缩短。此外，法国s a f t 公司、澳大利亚c a p x x 公司、韩国n e s s 公司等 也都在加紧电动车用超级电容器的开发应用“1 。 在国内，2 0 0 0 年1 1 月，由石家庄开发区高达科技开发有限公司研制的具有 自主知识产权的超级电容器通过了专家鉴定。现在，北京有色金属研究总院、 锦州电力电容器有限责任公司、北京科技大学、北京化工大学、北京理工大学、 北京会正平公司、解放军防化院，啥尔滨巨容公司、上海奥威公司等也在开展 电动车用超级电容器的开发应用研究工作，国家十五计划“8 6 3 ”电动汽车重大 专项攻关中已将电动车用超级电容器的开发列入发展计划“4 ”。北京有色金 属研究总院采用活性炭中添加纳米碳管制作了超级电容器用极片，他们的实验 结果表明，添加碳纳米管可降低电容器极片内阻，提高电容器性能。可见，纳 米碳材料对提高超级电容器性能，特别是提高其能量密度，提供了全新的发展 空间。 1 3 系统概述 1 上一节我对超级电容器作了相应介绍，下面就整个系统作简明阐述，系统 框架简图如图卜l 所示。 在本系统中，超级电容通过一个隔离型的双向d c d c 变换器挂在变频器( 逆 变器) 的直流母排上。使用隔离型的双向d c d c 有两个好处：l 、变频器侧与超 级电容侧进行电气隔离，避免相互影响。2 、超级电容的额定电压可以降低，节 约成本。当起重机吊重物下降时，此时双向d c d c 变换器工作在降压环节，超 级电容处在充电状态；当起重机吊重物上升时，双向d c d c 变换器工作在升压 环节，超级电容处在放电状态，作为二次能源，给重物提供能量。 4 武汉理。j 一大学硕士学位论文 图卜1 系统框架简图 本系统是基于d s p 控制的数字式双向d c 仍c 变换器。数字控制的电力电 子装置以数字控制器代替模拟硬件电路进行p w m 控制，通过开关的快速切换实 现电量的变换。以占空比量化为基础的数字功率变换器的数字控制，相对于传 统的模拟控制有很多优点。数字滤波器是用来进行动态调节的，若设定其采样 频率等于功率变换器的采样频率，量化占空比数字控制器可以工作在任何开关 频率，而不须再补偿。通过对权系数的修改，可以方便地改变动态调节特性。 同时，数字控制器可以很容易地实现诸如输出电流限幅和软启动等特殊功能“1 。 在本系统中，d s p 芯片选的是t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 。 双向d c d c 变换器的主要参数为 1 ) 将5 2 0 一7 5 0 v 直流电( 变频器直流母排电压) 转换为4 0 一5 6 v 直流电( 超 级电容工作电压) 。其主要技术指标：额定功率：3 0 0 0 w ；电源电压： 5 2 0 7 5 0 vd c ；输出电压：4 0 一5 6 vd c ；输出电流：6 0 a ；转换效率8 5 ； 具有输入过压、欠压、过流，输出过压、欠压、过流等保护功能。 2 ) 将4 0 一5 6 v 直流电( 超级电容工作电压) 转换为5 5 0 v 直流电( 变频器直 流母排电压) 。其主要技术指标：额定功率：3 0 0 0 w ；电源电压：4 0 5 6 v d c ；输出电压：5 5 0 vd c ；输出电流：5 5 a ；转换效率8 5 ；具有输入 过压、欠压、过流，输出过压、欠压、过流等保护功能。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 作者的主要工作 本文的主要工作包括： 1 在查阅国内外大量双向d c d c 变换器资料的基础上，采用种新型的大功率 双向d c d c 变换器的拓扑结构，并且对此双向d c d c 变换器的工作原理，工 作模式做了详细的分析。 2 双向d c d c 变换器主电路设计，驱动电路的原理设计及硬件实现，并对此做 了详细的分析。 3 d s p 控制系统的原理设计及硬件实现，强调了系统的稳定性、抗干扰性，并 对软硬件设计做了经验小结。 4 系统硬件驱动程序，以及相应的应用程序的编写。 5 在研究过程中采用计算机辅助设计软件p s p i c e 对方案进行了仿真，验证了 拓扑结构的可行性。 6 在系统仿真的基础上进行了实验研究，进一步验证了方案的可行性。 通过以上工作，作者完成了基于超级电容的起重机峰值动力与惯性能量回 收系统的研究，设计和研制，用p s p i c e 9 ，2 仿真软件验证了主电路拓扑结构的 可行性，并进行了原理性实验。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章移相全桥双向d c d c 变换器的工作原理 桥式双向d c d c 变换器适合中、大功率场合且较易通过移相控制实现软开 关，因此倍受青睐。本课题所研制的是种带辅助网络的软开关移相全桥双向 d c d c 变换器，通过引入无源辅助网络电路和饱和电感，实现功率器件工作在 软开关状态。本章先介绍双向d c d c 变换器，然后详细分析了双向d c d c 变 换器的工作原理。 2 1 双向d c d c 变换器的简介 电力电子变换器是应用电力电子器件将一种电能转变成另一种或多种形式 电能的装置，按转换电源的种类可分为4 种类型：直流变换器，将一种直流 电转换成另一种或多种直流电的电能变换器，是直流开关电源的主要部件；逆 变器，将直流电转变为交流电的电能变换器，是交流开关电源和不间断电源u p s 的主要部件：整流器，将交流电转变为直流电的电能变换器；交交变频器， 将一种频率的交流电直接转变为另一种或可变频率交流电，或是将变频交流电 直接转换成恒频交流电的电能变换器。这4 种变换器可以是单向变换的，也可 以是双向变换的，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。即可实现能量的双向传输。 直流变换器有非电气隔离型和有隔离型两类。以所用功率开关管的数量来 分类，单管非隔离直流变换器有六种基本类型，即降压式( b u c k ) 、升压式( b o o s t ) 、 升降压式( b u c k b 0 0 s t ) 、库克( c u k ) 、瑞泰( z e t a ) 和赛皮克( s e p i c ) 等。双管直流变 换器有双管串接的升降压式( b u c k b o o s t ) 等。全桥变换器( f u l l _ b r i d g ec o n v e n e r ) 是 常用的四管直流变换器。 隔离型直流变换器也可以用功率开关管数量来分类。典型单管直流变换器 有正激变换器( f o n a r d ) 和反激变换器( f 1 y b a c k ) 两种，双管变换器有双管正激变 换器、双管反激变换器、推挽和半桥四种，四管直流变换器就是d c d c 全桥变 换器“1 。 我们所熟知的d c d c 变换器多数是单向工作的，如图2 一l 所示。由于通常 的单向d c d c 变换器的主功率传输通路上一般都有二极管这个环节，因此能量 7 武汉理工大学硕士学位论文 经由变换器流动的方向只能是单向的，即在图中能量只能从v 1 经变换器传输到 v 2 而不能反向流动然而对于有些需要能量双向流动的场合，如仍使用单向 d c d c 变换器，则需要将两个单向d c d c 变换器反并联，如图2 2 所示，单向 变化器1 被用来控制处理从v 1 到v 2 的能量流动，当需要能量反向流动时就使 用单向d c d c 变换器2 。但是这样总体电路就会变得复杂化，实际上完全可以 把这两个变换器的功能由一个变换器来完成，也就是使用双向d c d c 变换裂”1 。 双向d c d c 变换器是指保持变换器两端的直流电压不变的情况下，能根据 需要调节能量双向传输的直流到直流变换器，如图2 3 所示。双向d c d c 变换 器置于v l 和v 2 之间，控制其间的能量传输。1 1 和1 2 分别是v l 和v 2 的平均 输入电流，根据实际应用的需要可以通过双向d c d c 变换器的变换控制，使 能量从v l 传输到v 2 ( 称为正向工作模式) ，或使能量从v 2 传输到v 1 ( 称为反向 工作模式1 。 与传统的采用两套单向d c d c 变换器来达到能量双向传输的方案相比，双 向d c d c 变换器应用同一个变换器来控制能量的双向传输。使用的总体器件数 目小，且可以更快的进行两个方向功率变换的切换。再者，在低压大电流场合， 一般双向d c d c 变换器更有可能在现有的电路上使用同步整流器工作方式，有 利于降低通态损耗。总之，双向d c d c 变换器具有高效率、体积小、动态性能 好和低成本等优势。 + v j 一 - 一 图2 1 单向d c d c 变换框图 图2 2 双向d c - d c ( 单向构成) 变换框图 + v 1 卜一 图2 ，3 双向d c d c 变换框图 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 软开关的定义及分类 2 2 1 软开关的定义 所谓的“软开关”是与“硬开关”相对应的，凡用控制的方法使电子开关 在其两端的电压为零时导通，或使流过丌关的电流为零时关断，则此开关称为 软开关。它能克服传统的的硬开关的开关损耗，理想软开关的开关损耗为零， 从而提高了功率变换器的传输效率“”“。 最理想的软开关开通过程是零电压开通，即电压先降为零，然后电流再缓 慢上升到通态值，在这个过程中，开通损耗几乎为零，而且开通器件上的电压 在开通时下降为零，器件的结电容上的电压也为零，不存在容性开通的问题， 二极管截止，其反向恢复过程结束，故也不存在二极管的反相恢复问题。 与之相对应的是软开关的关断过程( 零电流关断) ，即电流先降为零，然后 电压在缓慢上升到断态值，在这个过程中，关断损耗几乎为零，而且关断器件 上的电流在关断时下降为零，线路中的电感上的电流也相应为零，因此不存在 感性关断的过程。 2 2 2 软开关的分类 软开关包括软开关开通和软开关关断，其中，软开通也包括零电压开通和零 电流开通；软关断包括零电压关断和零电流关断“”。如右图所示 零电压关断：开关器件在两端的电压为零 时实行关断。此关断命令在t l 时刻发出，开 关器件上的电流从通态值下降到断态值后，端 大明 电压才从通态值上升到断态值，开关器件进入 波形 到截止状态。在乜以前，开关器件的端电压 必须保持在通态值，约为o 。 丌 零电流关断：开关器件在两端的电流从通 趣 态值下降为零时实行关断。此关断命令在t 2 时刻发出，开关器件上的端电压从通态值上升 到断态值，开关器件进入到截止状态。 9 软开关 t i 堪 武汉理工大学硕士学位论文 零电压开通：开关器件在两端的电压为零时实行开通。此关断命令在t 2 时 刻发出，开关器件上的电流从断态值上升到通态值后，开关器件进入到导通状 态。在t 2 以前，开关器件端电压必须下降到通态值( 约为o ) ，并且在电流上升 到通态值以前保持为零。 零电流开通：开关器件在两端的电流为零时实行开通。此关断命令在t l 时 刻发出，开关器件上的端电压从断态值下降到通态值后，电流才从断态值上升 到通态值，开关器件进入到导通状态。在t 2 以前，开关器件的电流必须保持在 断态值( 约为0 ) 。 2 3 移相全桥软开关双向d c d c 变换器的工作原理d 1 钉4 儿”1 移相控制方式是近年来在全桥变换器中使用最多的一种软开关控制技术， 它是谐振变换技术和p w m 技术的结合。其工作原理是每个桥臂的两个开关管 1 8 0 度互补导通，两个桥臂的导通之间相差一个相位，即所谓的移相角，通过调 节移相角的大小来调节输出电压的脉冲宽度，从而达到调节相应的输出电压目 的。移相p w m 控制方式能使电路的四个开关管依次在零电压下导遥，在缓冲电 容的作用下零电压关断，从而有效的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，为变换器提高开关频率，提高效率，降低 尺寸及重量提供了良好的条件。 图2 ，4 为双向d c 仍c 变换器的主电路拓扑，从图中可以看出主电路是采用 隔离式的d c d c 全桥变换器。本系统中，高压侧采用了i g b t 桥式电路，低压 侧采用了m o s f e t 桥式电路。 系统中设计采用的是带有辅助网络的移相全桥软开关双向d c d c 变换器 ( f bp s z v s p w m ) ，它是利用变压器的漏感和原边串联饱和谐振电感与功率 管的寄生电容的谐振及辅助网络的电流增强来实现功率开关管的z v s 导通。图 2 4 中，在高压侧，v 1 是直流母排电压，c l c 4 分别是q 1 q 4 的寄生电容， d 1 d 4 分别为q l q 4 的内置反并联二极管，q 1 和q 3 构成超前桥臂，q 2 和q 4 构成滞后桥臂，上，为主电路谐振饱和电感，l a 为辅助网络的谐振电感，c a l 和 c a 2 是辅助网络的谐振电容，d a l 和d a 2 是辅助网络的续流二极管，c 5 是一个 隔直电容，它的作用是防止变压器的磁芯饱和，即直流磁化现象的出现。t x l 是高频脉冲变压器：在低压侧，m 1 和m 3 是超前桥臂，m 2 和m 4 是滞后桥臂， l o 武汉理丁大学硕士学位论文 d 7 d 1 0 是与m o s f e t 反并联的二极管，c 7 c 1 0 是与m o s f e t 内部寄生电容， m 5 是一个升压硬开关( m o s f e t ) ，m 6 是一个充放电切换开关( m o s f e t ) ，当工 作在降压环节中，m 6 导通，当工作在升压环节中，m 6 断开。l 1 是降压输出滤 波电感，也是b 0 0 3 t 电路中的升压电感。c 1 l 是b o o s t 电路的滤波电容，c 1 2 为 降压输出滤波电容，u c 是超级电容器。 普即一畔叶：1 留中一畔。2 f ： 叻 ：c a l 1 n 【 1，。 v 1 a 酬 c a 2 剐 掣 蝴鸣f ：抓 獭班b 1 4 0 2 ir 嘲” 。叼1 2 c 5：l 洲 驾i蛙村譬口 s i e ”口i 2 0 ，u m 6 ； _ i ) ( j s l e l l 口蚴 s 1 1 _ m 5 _ 厂c 1 ： h ：c 1 2 ： t m。g 正1 1 氆4 终 诩l | ! j ；勰c l o 图2 4 双向d c d c 变换器的主电路拓扑 2 。3 1 软开关移相全桥降压电路的原理分析 2 3 1 1 降压电路的工作原理9 1 m 1 1 7 1 例1 9 1 当起重机在下放重物或系统处于空载时，降压电路才会启动工作。降压的 过程中将变频器直流母排的5 2 0 v 7 5 0 v 的直流电压转化成4 0 v 5 6 v 左右的直流 电，对超级电容进行充电操作，这个过程的控制实现是由d s p 来完成。当双向 d c d c 变换器工作在降压环节中时，m 6 会自动导通，故降压电路的等效电路图 如图2 5 所示。 叭0d)8ton月 武汉理工大学硕士学位论文 8 言 2 ； 曷 娶 崮 蛙 制 图2 5 降压电路的等效电路图 在分析之前作如下假设： 所有开关管、二极管均为理想器件； 电容、电感均为理想元件； ( 萤c 2 = c 4 = c r ，c a l = c a 2 = c a ； 变压器原副边匝比为k = 7 。 饱和电感在线性区电感量为n ，饱和状态时电感量为0 ，其临界饱 和电流值为，； 流过变压器原边电流为f 。，a 和b 点之间的电压为吒。 在一个开关周期中，变换器有1 0 种工作模态，描述如下： 1 ) 开关模态0 在t 0 时刻如图2 6 所示。d 3 和q 4 导通，。= o ，变压器原边电流处于续 流状态。辅助电感电流也处于续流状态，它流过q 4 和d a 2 ，电流值为 屯。o ) = l = 赢a 同时 o o ) - 0 _ ：。o ) 叱，。o ) _ 0 ， 圪“( f o ) = a 1 2 比。(岳n击口竹 武汉理1 大学硕士学位论文 【誓啦：，掣器c 2 砸1 协 慷 成 张。a 2 密话 上 翦 _ 0 u c * 陵j 蒯警三 土 潍m 7 。 晋 l 图2 6 开关模态t 0 时刻 图2 7 开关模态t o - t 1 时刻 2 ) 开关模态l p o ，n 如图2 ，7 所示，在t o 时刻，q 4 关断，么和f ，同时给c 4 充电，给c 2 放电，l 。= 一。d 脱离饱和，进入线性区，原边电流立即下降到临界饱和电 流丘，并且继续下降。由于c 2 和c 4 的存在，q 4 是零电压关断。在这个过程中， 由于流过变压器原边的电流不断减小，其副边电流也减小，从而不足以提供负 载电流，即此时d 8 和d 9 导通，变压器副边绕组短接，为负载提供不足部分的 能量。在这段时间里，各电容电压、电感电流为： k 4 ( ，) = 互( ，。+ l ) s i n q ( ，一“) ( 2 _ 1 ) v 。2 ( ，) = z 1 ( l + ，。) s i n 脚1 0 一岛) “忙鲁( 。( c o s 州h 。叫) “ k = 等眠“从c 0 蛐_ f 。_ 1 ) ) + l ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 _ 4 ) 热护错 z l = 而虿州- 1 厩。 在t 1 时刻，c 4 电压上升到v i n ，c 2 电压下降为零，d 2 自然导通，开关模 态l 结束。 开关模态1 结束时，。和三，的电流为： 武汉理工大学硕士学位论文 ，。c r ，= 每：i 巧一；c t + ，。，+ l ，。，= 主；：i 巧一主；c t + l ，+ ，。 蹼l l 瀚1 魄。a 4 妊 j 可1 警 l ( 2 。5 ) ( 2 6 ) 訾 l 女 图2 _ 8 开关模态t 1 t 2 时刻图2 9 开关模态t 2 t 3 时刻 3 ) 开关模态2 n f 2 l 如图2 - 8 所示，在t 1 时刻， d 2 自然导通，将q 2 的电压箝在零位， 此时可以实现q 2 的零电压开通av 。= 一，厶和，两端电压均为一，其电 流均线性下降。当原边电流下降到零时，d 3 自然关断，q 3 中开始流过电流。在 t 2 时刻，厶的电流下降到一尼，加进入饱和状态，其电流迅速下降为折算到原 边的负载电流一。k ，而f 。则继续保持原来的电流方向，只不过电流是不断 变小的。副边还是继续短路，直到原边电流反向增加的电流值达到负载电流大 小，副边才不会形成短路。 矿 f p ( r ) = p ( ) 一半( 卜f 1 ) ( 2 7 ) 啪) ：屯( f 。) 一孥( h ，) l d 开关模态2 的持续时间t 1 2 为： r 。：= l ，( n ) + ，。忙，圪 丽辅助电感电流下降到屯( f 2 ) ： ，。( ，2 ) = ，。( r 1 ) 一- ，( f 1 ) + 。仁，三。 1 4 ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) un；口oh口nd生甘埘h 武汉理： 大学硕士学位论文 4 ) 开关模态3 k 2 ，f 3 】如图2 9 所示。在此开关模态中，q 2 和q 3 导通， v 。= 一，主功 率回路给负载供电，辅助电感电流继续线性下降，直到下降到零，结束开关模 态3 。在这段时间里完成了副边的短路切换，即完全由原边电流来提供负载电流。 在这段时间里： f k ( f ) = l 。( ，2 ) 一 2 0 一r 2 ) ( 2 1 1 ) l 。 开关模态3 的持续时间为： f 2 3 = 三。屯( ，2 ) ( 2 _ 1 2 ) 5 ) 开关模态4 p 3 ，f 4 】如图2 1 0 所示。从t 3 开始，l a 与c a l 和c a 2 谐振，i h 反向增加， 给c a 2 充电，给c a l 放电；到t 4 时，c a 2 的电压上升到，d a l 自然导通a 这 段时间里，q 3 和q 2 导通，v 。= 一主功率回路给负载供电，与辅助网络无关。 t ， k ( f ) = 孕s i n 屿。一f 3 ) ( 2 - 1 3 ) v 。2 ( f ) = 【1 一c o s 2 ( f r 3 ) 】 ( 2 - 1 4 ) v 。i ( f ) = c o s 2 0 一屯) ( f 4 ) = 一z 2 普 l ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 图2 1 0 开关模态t 3 t 4 时刻 图2 1 l开关模态t 4 一t 5 时刻 u口o日hj)oh日啦廿蜡涮 虻oo，口m*u辩 武汉理工大学硕士学位论文 6 ) 开关模态5 i r 4 ，f 5 】如图2 一l l 所示。在t 4 时刻，d a l 导通，把l a 两端的电压箝在零， 辅助电感电流通过q 2 和d a l 续流，其电流值为，。( f 4 ) 。同时，这段时间中的t x l 时刻，q 3 的零电压关断，同时电路给c 1 放电，给c 3 充电，为d 1 的自然开通创 造条件。在t x 2 时刻，叭自然导通，q l 零电压开通，v 。= 0 ，原边电流处于自 然续流状态，流过d l 和q 2 。这样为t 5 时刻关断q 2 作了与q 4 关断时相似的准 备，即：圪2 0 5 ) = 0 ，吒。( ，5 ) = l 。( f 5 ) = 一f 。z 2 ，吃。( ，5 ) = o ，屹2 ( f 5 ) = 。a f 5 ，f l o 】是一个开关周期的另一个半周期，工作情况与i f o ，叫半周期类似。 综上所述，t o t 1 0 时刻的变换器波形如图2 1 2 所示。 0 o 至圈! 枣圈! e ! 匿j 翌臣j 妇， q 4 l ；q 21i ； ；q 净； f _； ；h r 彳丁 v 气il 隧lll 臣筌 l l 日 0 。 丑g 耄耍二签霹瑟 。工委j 鎏臣至互耍越耍霉 t 0 t l 缸bt 4t x l t x 2 t 5 t 6t 7 t 8t 9t x l t x 2 j o 图2 1 2 采用辅助网络的移相全桥d c d c 变换器的波形图 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 1 2 超前桥臂和滞后桥臂零电压的实现 由移相全桥零电压工作原理可知，各开关管是在其寄生电容或并联电容的 作用下实现零电压关断。要实现开关管的零电压关断，谐振电容冲放电时间必 须大于开关管关断时间。但要实现开关管的零电压开通，必须有足够的能量来 抽走将要开通的开关管结电容( 或外部并联电容) 上的电荷，并给同一桥臂将 要关断的开关管结电容( 或外部并联电容) 充电。同时，考虑到变压器的原边 绕组电容，还要一部分能量抽走变压器原边绕组寄生电容c k 上的电荷。也就是 说，必须满足下式： 111 e 亡c j 2 + 去c 。2 + 去c m 圪2( f = 彪d d ，妇) ( 2 1 7 ) o二 要实现开关管的零电压开通，必须满足两个条件：1 ) 谐振电路本身的参数 与状态应保证能通过谐振使导通管的结电容完全放电。2 ) 驱动信号必须在导通 管的结电容完全放电后给出，即同一桥臂的开关管的关断时间间隔必须要大于 电容的充放电时间“”1 。 对于超前桥臂( q 1 ，q 3 ) 来说，超前桥臂容易实现z v s 。这是因为在超前 桥臂_ 丌关过程中，输出滤波电感，是与谐振电感上，串联的，此时用来实现z v s 的能量是上，和，中的能量。一般来说，工，很大，在超前桥臂开关过程中，其电 流近似不变，类似于一个恒流源。这个能量很容易满足式2 1 7 。 对于滞后桥臂而言，滞后桥臂要实现z v s 比较困难。若是没有辅助网络， 在滞后桥臀开关过程中，变压器副边是短路的，此时整个变换器就被分为两部 分，一部分是原边电流逐渐改变流通方向，其流通路径由逆变桥提供，另一部 分是负载电流由整流桥提供续流回路，负载侧与变压器原边没有关系。此时用 来实现z v s 的能量只是谐振电感中的能量，如果不满足式( 2 1 8 ) ，那么就无法实 现z v s 。 11 妄：2 2 + 寺2 ( 2 1 8 ) z 由于输出