（电工理论与新技术专业论文）双向全桥dcdc变换器研究.pdf

a b s t r a c t b i d i r e c t i o n a ld c - d co o n v e r t e r sa l l o wt h et r a n s f e ro f p o w e rb e t w e e nt w od c s o u l c e si ne i t h e r d i r e c t i o n t h e ya r cu s e di na p p l i c a t i o n ss u c ha sd cu n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l i e s ，a e r o s p a c ep o w e r s y s t e m s ，d cm o t o rd r i v es y s t e m s , a n dh y b r i d - e n e r g ye l e c t r i cv e h i c l e s s e v e r a lf u n d a m e n t a lb i d i r e c t i o n a lc o n v e r t e ru n i t sa r ei n t r o d u c i n gf i r s t , a n d t h e nt h e s p e c i f i c a t i o n so ft h ep r i n c i p l eo ft h e s es o rs w i t c h i n gb i d i r e c t i o n a l u n i t sa r ed i s c u s s e d i nt h i s d i s s e r t a t i o nan c wc o n t r o lm e t h o df o rb i d i r e c t i o n a ld c - d cc o n v e r t e ri sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h e d i f f e r e n tt o p o l o g i e sa n dc o n u o lt h e o r i e s t h e r ea r cf o u rs w i t c h e r si nf u l lb r i d g et o p o l o g y , i ti se a s y t oi m p l e m e n td i f f e r e n tc o n t r o ls c h e m ea n dr e a l i z es o f ts w i t c h i n g t h e s ea d v a n t a g e sm a k et h e p r o d u c ts m a l l e r w h e nw o r k i n gu n d e rs o f ts w i t c h i n gc o n d i t i o n st h ed e v i c e c a nw o r ka th i g h f r e q u e n c yw i t hp e r f e c te f f i c i e n c y , s ot h en e wc o n t r o lm e t h o di sr e a l i z e di nf u l lb r i d g et o p o l o g y w i t h 锄i s o l a t e dt r a n s f o r m e rb e t w e e nt h ep f i i m 旷yb r i d g ea n dt h es c c o n d a r yb r i d g e , t h ep o w e r 啪 f l o wi ne i t h e rd i r e c t i o nw i t h o u te x t r ad e v i c e t h e nt h ec o f l v e r t e rc a nb el n a d ew i t hh i g he f f i c i e n ta n d m o l ec o m p a c t s o m ed c - d cc o n v e r t e re x a m p l e sa r eg i v e nt oe x p l a i nt h ec o n v e r t e r sw o r k i n gp r i n c i p l e t h e c i r c u i tm o d e s 1 i eb u i i t , t h er e s u l to f t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ta r ca l s op r e s e n t e c l k e y w o r d s ：b i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r s , s i m u l a t i o n , c i r c u i td e s i g n i i 图形目录 图1 1 单向d c i x ；变换器功能框图 图1 2 双向i x ：d c 变换器功能框图 图1 3 直流基本变换单元 图i 4 单向b o o s t d c - d c 变换器 图1 5 双向b o o s t b u c kd c - d c 变换器 图1 6 直流不停电电源系统 图i 7 航天直流电源系统 图1 8 双向直流变换器驱动直流电动机 图1 9 低感抗直流电机驱动与再生制动系统 图1 1 0 燃料电池电动汽车电力驱动系统 图i i l 喜流功率放大器 2 2 2 3 4 6 6 7 9 9 9 1 0 图1 1 2 单向d c d c 基本变换器族 图1 1 3 双向d c - d c 基本变换器族。 图1 1 4b u c k - b o o s t 级联型双向d c - d c 变换器 图1 ，1 5 反激式双向d c - d c 变换器 图1 1 6 推挽式双向d c d c 变换器 图1 1 7 相移控制零电压开关桥式双向d c - d c 变换器 图1 1 8 电流馈桥式双向d c - d c 变换器 图1 1 9 半桥，推挽型双向i x ：d c 变换器 图1 2 0 串并快恢复二极管的b o o s t b u c k 双向d c - d c 变换器 图1 2 1z c s z v s s c y rb u c k b o o s t 双向d c d c 变换器 图1 2 2z c s z v s - s c y rb u c k b o o s t 变换器原理波形 图1 2 3 单周谐振双向d c - d c 基本变换单元 图1 2 4 准谐振双向d c - d c 变换器 圈1 2 5 准谐振双向d c d c 基本变换单元 l l l l l l 1 2 1 3 1 3 1 4 1 4 1 4 图1 2 6c f - z v s - m rb t 垃k b o o s t 双向d c - d c 变换器1 5 图1 2 7 多谐振双向d c d c 基本变换单元1 5 图i 2 8 准方波零电压开关技术 图1 2 9 一种应用无源缓冲器的桥式双向d c d c 变换器 图l3 0 零电压转换双向d c d c 变换器。 图1 3 i 零电流转换双向d c d c 变换器 图i 3 2 z c s 反激式双向d c - d c 变换器 图1 3 3 有源钳位双向1 3 ( 2 一d c 变换器 图1 3 4 一种混合型软开关双向d c d c 变换器 图2 1p w m 开关波形 图2 2 谐振开关波形 图2 3d c d c 双向变换电路结构图 图2 4d c d c 双向变换主电路原理图 1 5 1 6 1 7 1 7 1 7 1 8 1 8 圈2 5 能量从低压向高压流动时的门极控制脉冲 图2 6 能量从低压向高压流动时变压器右侧电压、电流波形 2 3 2 3 图2 7 能量从低压向高压传送过程中各阶段等效电路 图2 8 能量从高压向第压流动时的门极控制脉冲 图2 9 脉冲之间设置死区。2 7 图2 1 0 电流i l k 临界连续波形2 7 图3 i 电力电子系统结构。2 9 图3 2d c - d c 变换器反馈控制系统3 0 图3 3b u c k - b o o s t 变换器及其工作状态分析3 2 图3 4b u c k - b o o s t 变换器线性化小信号交流模型的三个等效子电路4 l 图3 5b u c k - b o o s t 变换器小信号交流等效电路4 l 图3 6b u c k 变换器小信号交流等效电路4 2 图3 7b o o s t 变换器小信号交流等效电路4 2 图4 1d c d c 变换器的几种基本电路模型 图4 2b u c k 电路的m a t l a b 仿真模型和仿真波形 图4 3b o o s t 电路的m a t l a b 仿真模型和仿真波形 图4 4 反极性电路的m a t l a b 仿真模型和仿真波形。 图4 5 双向b o o s t b u c kd c - d c 变换器 4 3 4 5 4 6 4 7 4 8 图4 6 双向b o o s b u c kd c d c 变换器的m a t l a b 仿真模型4 8 图4 7 双向b o o s t b u c k d c d c 变换器工作于升压时输出电压的波形一 图4 8 双向b o o s t b u c k d c - d c 变换器工作于降压时输出电压的波形 图4 9 双向桥式d c - d c 变换器的m a t l a b 仿真模型 图4 1 0 各个开关管的控制脉冲 图4 1 1 变压器一次侧仿真波形 图4 1 2 变压器二次侧仿真波形 图4 1 3 输出电压波形。 图5 1 控制程序流程图 图5 2 驱动器e x b 8 4 1 内部电路原理图 图5 3i r 2 1 1 0 内部电路原理图 图6 1 高频变压器一次侧波形 图6 2 高频变压器二次侧波形 图6 3 提升脉冲波形 图6 4 提升前负载电压 图6 5 提升后负载电压 图6 6 实验模型电路 6 4 6 4 6 4 盼如钉钉记钇转毋矾 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经 发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢 意。 作者签名：。之氨明 日 期：红醢生缉 学位论文使用授权声明 c 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有 权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校 图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权 将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规 定。 作者签名：丘五翊 日 期：2 耻z 啦墨2 双向全桥d c d c 变换器的研究第一章绪论 第一章绪论 随着科技和生产的发展，对双向d c i x ：变换器的需求日益增多，主要有直流不停电电源 系统、航天电源系统、直流电机驱动系统、混合能源电动汽车等应用场合。软开关( s o f ts w i t c h i n g ) 技术的应用可以降低双向d c - d c 变换器的开关损耗，提高变换器的工作频率，为变换器的高 频化提供可能性，从而大大缩小变换器的体积重量，提高变换器的功率密度和动态性能。 1 1 双向d c - d c 变换器的原理和应用 1 1 1 双向d c d c 变换器原理简介 我们所熟悉的i x ：一d c 变换器多数是单向工作的，如图1 i 所示，由于通常的单向d c - d c 变换器中的主功率传输通路上一般都有二极管这个环节，因此能量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 l 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( v i 和v 2 可以是直流电压源或直流有源负载它们的电压极性保持不 变。能量有时可能从v l 传输到v 2 ，有时又可能从v 2 传输到v 1 ) ，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1 2 ( a ) ，单向i x ：i x ：变换器被用来控 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要使用单向d c d c 变换器。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 变换器。 双向d c i x ：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 调节能量双向传输的直流到直流变换器。如图1 2 ( b ) 所示，双向d c d c 变换器置于v l 和v 2 之间，控制其问的能量传输。i i 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( f o r w a r d m o d e ) , 此时i t 为负，而1 2 为正，或使能量从v 2 传输到v l ，称为反向工作模式a c k w a r d m o d e ) , 此时i i 为正，而1 2 为负。 从电路拓扑上讲，单向d c - d c 变换器可简化为含有如图1 3 ( a ) 所示单向基本变换单元 ( u n i d i r e c t i o n a ls w i t c hu n i t ) 的基本原理结构，这个基本变换单元由一个有源开关( a c t i v es w i t c h ) 和一个二极管构成，简单的实例如图1 4 中的单向b o o s td c - d c 变换器，由于二极管d 2 的存 在，能量只能从v l 传输到v 2 。而常规的双向d c i x ：变换器可简化为含有图1 3 ( b ) 所示双向 基本变换单元( b i d i r e c t i o n a ls w i t c hu n i t ) 的基本原理结构，此双向变换单元由两个各自并有反 并联二极管的有源开关构成( 这些反并联二极管也可以是有源开关器件体内的寄生二极管) 。图 1 5 为一基本双向b o o s t b u c kd c i x ：变换器。该变换器有两种最简单的工作方式：当s 2 保持 关断，s i 开关工作，变换器实际为一个b o o s t 电路，能量从v i 传输到v 2 ；相反，当s l 保持 关断，s 2 开关工作，此时变换器相当一个b u c k 电路，能量从v 2 传输到v l 。 双向全桥d c - i x ：变换器的研究第一章绪论 p o w e rf l o wi i 锄1 2 o 日 u n i d i r e c t i o n a l d c - d cc o n v e r t e r 讲 图i i 单向d c - d c 变换器功能框图 p o w e rf l o w1 1 0 日 b i d i r e c t i o n a l d c d cc o n v e r t e r p o w e rf l o wi t 0 , 1 2 0 图a 双单向d c - d c 变换器结构 图b 双单向d c - d c 变换器结构 图1 2 双向d c d c 变换器功能框图 d l r 、j s i d 1 li 11 h r 、j ( a ) 单向d c - d c 基本变换单元( b ) 双向d c - d c 基本变换单元 图1 3 直流基本变换单元 2 双向全桥d c - d c 变换嚣的研究 第一章绪论 ld 2l s 2 图1 4 单向b o o s td c - d c 变换器图1 5 双向b o o s t b u c kd c d c 变换器 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，且可以更加快速的 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 在现成的电路上使用同步整流器工作方式，有利于降低通态损耗( c o n d u c t i o nl o s s ) 。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。 1 1 2 双向d c - d c 变换器的应用 随着科技和生产的发展，对双向d c - d c 变换器的需求逐渐增多，主要包括直流不停电 电源系统、航天电源系统、电动汽车、直流功率放大器及蓄电池储能等应用场合。 1 1 2 1 直流不停电电源系统( d c - u p s ) 在直流不停电电源系统中( 如图1 2 所示) ，一般有两种系统结构，一种是图1 6 ( a ) 所 示的直流总线( d cm a i n s ) 上直接并接合适电压等级的蓄电池组，保证直流负载的不间断供 电；另一种系统结构是图1 6 ( b ) 所示的，蓄电池组经过双向d c d c 变换器并接到直流总线 上，正常供电时，a c d c 变换器调整稳定直流总线的电压，对直流总线上所挂接负载供电， 此时双向d c d c 变换器承担备用蓄电池的充电工作一旦外部交流电源掉电或其它故障发生 造成直流总线掉电，双向d c d c 变换器即迅速反应，以反向方式工作控制备用蓄电池放电， 从而维持直流总线电压稳定。 以上两种d c u p s 结构相比较。前一种不使用双向d c - d c 变换器系统结构的主要优点 是结构简单，但由于一般蓄电池的电压变化范围很大，造成直流总线的电压也有较大的变化， 很多直流负载对直流输入电压的稳定度有要求，采用此结构就不得不在这些直流负载与宜流 总线之问再加入d c d c 调整单元，反而结构变复杂了，而且效率也低；从对蓄电池充放电 角度来看，使用双向d c - d c 直流变换器的结构方式可以把电池充放电的工作分离出来，可以 简化前级a c - d c 变换器的功能，只需控制稳定直流总线电压印可，同时运用双向d c - d c 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，对廷长蓄电池的寿命和提高充 电效率都大有好处：当使用的现有蓄电池组的电压与直流总线的电压相差较大时，非隔离 式或隔离式的双向d c d c 变换器还可以起到中间变换的作用；出了二安全或其它考虑而要求 蓄电池与直流总线之问电隔离时，隔离式双向i ) 1 2 d c 直流变换器也是必要的选择。总之，在 3 双向会桥d c o d c 变换器的研究第一章绪论 ( a ) 无双向d c d c 直流变换器结构( b ) 双向d c - d c 直流变换器结构 图1 6 直流不停电电源系统 一些场合下，使用双向d c d c 变换器的d c - u p s 可以为接于总线的负载提供高品质，可靠的 供电环境。 同样道理。双向d c - d c 变换器还可以成为某些a c - u p s l 4 l ( 交流不停电电源系统，也就 是通常所说的u p s ) 中的中间直流链与蓄电池之间的变换环节。 1 1 2 2 航天电源系统( a e r o s p a c ep o w e rs y s t e m ) 在卫星及空间站的航天电源系统中唧( 如图1 7 所示) ，双向d c - d c 变换器成为其中的关 键性部件航天电源系统的能源主要包括太阳能电池阵列和高能蓄电池。通常太阳能电池阵 列工作在最大功率跟踪点( m a x j m u m p o w e r - t r a c k i n gp o i n t ) 。当日光充足时，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d c - d c 变换器存储到蓄电池中：当日光不 足时，太阳能电池阵列不足以提供负载所需的电能，双向d c d c 变换器反向工作向负载提供 电能。双向d c - d c 变换器充当蓄电池的充放电管理器。它设计的好坏直接影响到航天器上蓄 电池的利用效率和寿命长短。 1 1 2 3 电动汽车f e i e c l i 乱v e h i c l e ) 出于环保和能源的考虑，电动汽车将来很有可能成为陆上主要交通工具之一，而双向 d c - d c 变换器在电动汽车中有着广泛的应用1 6 】。 电动汽车中的电动机时典型的有源负载，从其输入端来看既能吸入能量也可输出能量。 双向d c - d c 变换器的一大应用场合便是电机驱动系统，特别是应用蓄电池为能源的电动机驱 动系统。由于电动汽车中的电机转速范围极宽，频繁加速、减速，而且蓄电池的电压变化范 围也很大，相对于一般的驱动方法。使用双向d c d c 变换器可以明显提高电机的驱动性能。 另一方面，双向d c d c 变换器可以将制动刹车时由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和性能，同时可以避免在用单向d c d c 变换器时 出现的反向制动无法控制和变换器的输出端出现浪涌电压等不利情况。 双向全桥d c - d c 变换器的研究第一章绪论 s o l a r e n e r g y s o l a ra t r a y 图1 7 航天直流电源系统 对于直流电动机来讲，理所当然可用如图1 8 所示常见的双向d c d c 变换器直接驱动方 法而对于交流电机、同步电机、永磁无刷电机等电机则采用间接驱动的方法，双向d c - d c 变换器可以调节逆变器的输入电压并使得回馈控制容易。近年来，一些低输入感抗的电机 应用越来越多，主要得益于它的高功率密度、低的转动惯量、平滑的转动以及低成本等优点。 但对于通常的固定电压驱动的方式来讲，低感抗必然意味着会出现大的电流纹波，同时造成 大的铁耗和开关损耗( s w i t c h i n gl o s s ) ，这时使用双向d c d c 变换器就可以解决这个问题。以 无槽轴流永磁( s l o t l e s sa x i a l - f l u xp m ) 低感抗( 例如几百h ) 的低速大转矩直流电机的驱 动为例，如图1 9 所示，这类电机一般可用于电动汽车的直接车轮驱动，双向d c d c 变换器 被用来调节逆变器的输入电压，从而使电机的脉动电流小，电机的电流跟踪转矩参考信号， 电机运转更加平稳，损耗减小，同时逆变器的开关应力降低而且控制也被简化。再生制动时， 电动机的动能转换为电能经双向d c d c 变换器回馈到蓄电池另外，若将图1 9 中的逆变器 输出端口脱离电机而转接交流电网，双向d c - d c 变换器则同逆变器的整流桥合起来变为车上 具有单功率因数校正的电动汽车蓄电池充电器。 燃料电池( f u e lc e l l ) 电动汽车和混合能源电动汽车也需要双向d c - d c 变换器p s j 。如图 1 1 0 所示，燃料电池系统中一般含有一个压缩电机消耗单元( c o m p r e s s o rm o t o re x p e n d i n gu n i t , c m e u ) ，正常运转情况下。该压缩电机可由燃料电池输出电压供电，但在电动机车启动时， 燃料电池电压尚未建立起来，需要辅助电源来供电这个辅助电源有两个功用：在燃料电 池发电前通过双向d c d c 变换器升压，提供高电压总线的能量；当汽车制动时，逆变器和 双向d c d c 变换器再将再生制动的能量存储到蓄电池。 双向d c d c 变换器冈其输出端瞬时既可输出能量又可吸入能量，相对于单向d c d c 变 换器具有更为快速的动态响应，可以用作壹流功率放大器( 如图1 1 l 所示) 这样的放大器的 频响宽，效率高。 5 双向全桥d c - d c 变换器的研究第一章绪论 图1 8 双向直流变换器驱动直流电动机图1 9 低感抗直流电机驱动与再生制动系统 图1 1 0 燃料电池电动汽车电力驱动系统 1 1 2 4 蓄电池能量储备系统( b a t t e r ye n e r g ys t o r a g es y s t e m ，b e s s ) 双向1 3 ( 2 d c 变换器还用于电池能量储备系统，达到电网调峰、高效用电以保证电网质量 的目的，同时也可加入有源滤波功能。文献【3 7 】中介绍将一个双向d c i x ；变换器与一个三相 逆变器组合起来工作，共同承担从交流市电到蓄电池的充电蓄能和反向由蓄电池组向电网馈 能的操作，同时逆变器有了软开关的工作环境。 另外，双向d c - d c 变换器也可能会被应用到地面的大功率直流蓄能系统。 6 双向全桥d c d c 变换器的研究 第一章鳍论 图i 1 l 直流功率放大器 1 2 双向d c - d c 变换器的拓扑概述 许多单向直流变换器都可通过将其中无源开关( p a s s i v es w i t c h ) 替换为有源开关而成为 双向d c - d c 变换器。究其根本是将单向基本变换单元替换成双向基本变换单元。单向d c o d c 变换器的所有基本拓扑都可由此转换成相应的双向直流变换器基本拓扑。图l 1 2 为六个单向 d c d c 基本变换器，图1 1 3 为对应的六个双向d c d c 基本变换器，它们都能控制能量双向 流动。文献【“】中所述的双向d c - d c 变换器，以及文献【4 2 】中所述的十个半桥式双向i x ：一d c 变换器，实际就是这些双向d c d c 基本变换器或是它们的输入端或输出端增加滤波器后的简 单变形拓扑 + 一 7 - d 1 2 v ( a ) b u c k 7 ( a ) b u c k b o o s t 双向全桥d c - d c 变换嚣的研究第一章绪论 l ( b ) b o o s t ( c ) b u c k b o o s t l c l l ( d ) c u k d ( e ) s e p i c 8 c o ) b o o s t b u c k ( c ) b u c k b o o s t l c l l ( d ) c u k ( c ) s e p i c z c t a 双向全桥d c - d c 变换器的研究 第一章绪论 s i l _ 一 b一 - + ，l l 习 2d 2u r lc l s -l ( oz e t a( dz e l a s e p i c 图l 。1 2 单向d c - d c 基本变换器族图1 1 3 双向d c - d c 基本变换器族 还有一些由双向d c - d c 基本变换拓扑转换而来的非隔离式的双向d c d c 变换器，较具 代表性的有如图1 1 4 所示的b u c k - b o o s t 级联型双向d c d c 变换器，这种变换器跟通常的 b u c k b o o s t 双向d c - d c 变换器一样将蓄电池的电压升高或降低，但是其输出端和输入端的电 压极性却是一样的。在正向升压工作中，s i 保持导通状态，s 2 脉宽调制工作；正向降压工作 中，s 2 保持关断状态，s - 脉宽调制工作。正向工作期间s 3 和s 4 始终关断，而到了反向工作时 它们的角色就跟s i 和s 2 反了过来。这种变换器的不足之处是它开关器件和二极管数目都比通 常的b u c k b o o s t 双向d c - d c 变换器增加了一倍，而且由于每一时间段里主电流都要流经两 个半导体器件，通态损耗也高一些，另外变换器仍是硬开关( h a r ds w i t c h i n g ) 工作。 i + 、 z) b l l 丁阢 乞乃 n 一睚 土 z9 b i i 图i 1 4b u c k - b o o s t 级联型双向d c d c 变换器 双向d c d c 变换器同样也可有反激式( f l y - b a c k ) 、正激式( f o r w a r d ) 、推挽式( p u s h - p u l l ) 、 桥式( b r i d g e ) 、电流馈式( c u r r e n t - f e d ) 以及其它一些混合式的隔离式变换结构。 在隔离式双向d c - d c 变换器中，对称反激式结构变换器囚其结构简单，低成本，以及良 好的瞬态响应等优点，非常适合于小功率应用场合。文献 2 4 1 中提出如图1 1 5 所示的反激式 变换器，能量从v l 传输到v 2 ；反之亦然。在该文献中，由于两个变换方向所需的功率等级不 同，在功率小的变换方向采取断续电流模式( d i s c o n t i n u ec o n d u c t i o nm o d e ) ，在功率大的变 换方向上采取连续电流模式( c o n t i n u e c o n d u c t i o nm o d e ) 。但是，和常规单向反激式变换器一 9 双向全桥d c - d c 变换器的研究第一章绪论 样，由于变压器漏感的存在，该双向反激式变换器中的开关管关断时承受着极大的电压震荡 和开关应力。 对称推挽式结构双向d c d c 变换器如图1 1 6 所示，它可处理的双向传输功率比对称反 激式结构变换器要大一些。l l 和k 均为滤波电感，在低压端( 一般在十几伏以下) 晶体管可 不串联二极管，在高压端晶体管需串联二极管。正向工作中，s l 和s 2 脉宽调制开关，s 3 和s 4 保持关断；反向工作中，s 3 和s 4 脉宽调制开关，s l 和s 2 保持关断。此种变换器的结构也比较 简单，但同样有因变压器漏感引起的开关管关断时严重的电压尖峰，变换器工作条件较为恶 劣，在高电压场合不宜使用。 图1 1 5 反激式双向d c - d c 变换嚣图1 1 6 推挽式双向d c d c 变换器 桥式双向d c d c 变换器在中、大功率场合倍受青睐j 。其中一类典型电路如图1 1 7 所 示，这类交换器也被称作双有源桥式变换器( d t t a l a c t i v e - b r i d g e ，d a b ) ，在变换器隔离变压 器的两端各有一个电压馈电式的全桥式变换单元，通过改变变换器中变换单元之问的驱动控 制相角差来控制直流电源之间的能量流动。变换器为升降压操作，滤波元件少。为简单的一 阶稳定系统。采用该控制类型的变换器中一般没有大的迟滞延时无源元件，动态响应较快。 另外也有电流馈电式的桥式变换器，典型电路如图1 1 8 所示，该变换器的一端为电流馈电式 全桥电路，该端的输出电流为连续的，但开关管关断时存在较为严重的由电感引起的电压尖 峰，必须加以抑制。再有该类变换器有时还会碰剑要专门解决变换器的启动问题，这样又会 在一定程度上增加了变换器设计的复杂性。 还有一些混合式隔离结构的双向d c - d c 变换器，如图l 1 9 所示，在这种双向d c d c 变 换器结构中，隔离变压器的原边为半桥变换式结构( d nd 2 及k l 作用是保持c l 和c 2 的电 压分配平衡) ，副边为电流馈推挽变换式结构正向工作模式中，s 3 、s 4 保持关断，仅以其反 并联二极管参加整流工作而原边s i 、s 2 如同常规半桥型单向d c d c 变换器一样高频脉宽 调制开关工作，v i 经变换器给电池v h 充电； 并联二极管参加整流t 作而原边 反向工作模式中，s i 、s 2 保持关断仅以其反 s 3 、s 4 如同常规电流馈推挽型单向 双向拿桥d c - d c 变换器的研究 第一章绪论 v i 一睚 2 l ：- 丁阢 q 一睚 lz 图1 1 7 相移控制零电压开关桥式双向d c d c 变换器 。_ 0 王z) 乞 ! l ： i 是一臣 孙 王 2 一 i z l ：- 阢 睚 玉z v 图1 1 8 电流馈桥式双向d c d c 变换器 一 = 叫至 z = 啐 d l c l - _l p 一 么 = = 孟 d 2 c 2 图i 1 9 半桥，推挽型叔向d c d c 变换器 双向全桥d c - d c 变换器的研究第一章绪论 d c d c 变换器一样高频脉宽调制开关工作，电池v 经变换器放电，给原边侧负载供电。总 的来讲，该变换器在双向变换工作中均为硬开关方式工作，开关应力较大。 另外在有效降低变换器的通态损耗方面，同一些单向d c - d c 变换器一样，在低压大电流 场合下，同步整流器技术在双向d c - d c 变换器中的使用将会大大提高变换器的效率。 1 3 双向d c d c 变换器软开关技术现状 硬开关双向d c d c 变换器在电流连续工作模式下会遇到严重的问题，这往往与有源开关 器件( 例如m o s f e t ) 的体内寄生二极管有关，因它关断过程中的反向恢复电流而产生的电流 失峰对开关器件有极犬的危害。一种解决办法是如图1 2 0 所示的采用额外串并快速二极管的 方法，这样在一定程度上减小了反向恢复电流，但不足之处是除了增加半导体器件的数目外， 还增加了变换器的通态损耗，对非高压应用场合中提高效率并没有贡献。 v 图i 2 0 串并快恢复二极管的b o o s t b u c k 双向d c d c 变换器 为了缩小双向d c d c 变换器的体积和重量，提高其功率密度和动态性能，双向d c - d c 变换器正向高频化方向发展。而高频化必然要解决好开关损耗问题，近年来国际上在双向 d c i x ：变换器方面的研究重点主要开始集中在高频化的同时如何使用软开关技术降低其开关 损耗从而提高效率 软开关技术给1 3 ( 2 d c 变换器的性能带来了很大的改进，它降低了开关器件的电压电流应 力，软化器件的开关过程，减小了开关损耗，提高了变换器的工作效率，为变换器的高频化 提供了可能性，从而大大缩小了变换器的体积重量，功率密度和动态性能得到了提高。另外， 软开关技术的使用也有助于减小变换器对其它电子设备得电磁干扰。 多年来，单向直流变换器软开关技术取得了长足发展，然而不能都简单地把它们套用到 双向d c d c 变换器。冈为当能量传输方向改变之后，那些曾为实现软开关得谐振时序通常会 改变，这样不但实现不了变换器的软开关工作，甚至可能增加开关庹力和损耗。因此也有在 某些应用场合，设计变换器在功率传输大的方向工作模式上实现软开关，而在功率传输小的 方向上就以硬开关方式工作 6 7 1 。 近年来，已有不少软开关双向d c - d c 变换器电路拓扑出现i ”侧 1 2 双向全桥d c d c 变换器的研究 第一章绪论 1 3 1 谐振( r e s o n a n t ) 类双向d c - d c 变换器 谐振技术是出现较早的软开关技术，它的应用消除了变换器工作中开关器件开关过程的 电压和电流二者交叠现象，降低了开关器件的开关损耗。 以零电流开关，零屯压开关单周( z e r o - c u r r e n t - s w i t c h i n g z e r o - v o l t a g e - s w i t c h i n gs i n g l e - c y c l e r e s o n a n l z c s z v s s c y r ) b u c k b o o s t 双向d c d c 变换器为例，图1 2 1 为变换器原理拓扑， 其中kc f 为谐振电感和谐振电容。图1 2 2 为变换器工作的主要原理波形，在正向工作模式 中，s 2 关断，s l 与s 3 互补开关工作，k 和c ，在s i 开通期间发生谐振，从波形中可以看出， s l 为零电流关断，而由于c ，的缘故，s 3 为零电压开通和零电压关断；在反向工作模式中，s ， 关断，s i 与s 2 互补开关工作k 和c r 在s i 开通期间发生谐振，从波形中可以看出，s l 仍为 零电流开通和零电流关断，s 2 为零电压开通和零电压关断 v h l o l 掣l !7 2l f -凸宁纠五 !要医 - = l f 图1 2 1z c s z v s s c y rb u c k b o o s t 双向d c d c 变换器 v 2 s - 口竺口一s - 口竺口 s ， 竺口竺 鸵 竺口! ! ： ( a ) 正向工作模式( ”反向工作模式 图1 2 2z c s z v s - s c y rb u c k b o o s t 变换器原理波形 通过利用如图1 2 3 所示的单周谐振双向d c d c 基本变换单元，替换原常规的硬开关双 向d c d c 基本变换器中的基本变换单元，便可以得到系列化的单周谐振双向d c - d c 变换器。 从以上介绍中看到谐振双向d c d c 变换器较好地降低了开关损耗，但通常的谐振变换器 1 3 双向全桥d c d c 变换器的研究 第一章绪论 需变频工作，变频控制使得变换器的滤波器及闭环控制器的优化设计困难，而且很难削减变 换器产生的噪声。同谐振类单向d c d c 变换器一样，针对这个缺陷，之后又有了恒频的准谐 振( q u a s i - r e s o n a m ) 及多谐( m u l t i - r e s o n a m ) g x d c d c 变换器。 s il r s z ( a ) z c s z v s s c y r( b ) z v s z s - s c y r 图i 2 3 单周谐振双向d c d c 基本变换单元 图1 2 4 ( a ) 为恒频零电流开关，零电压开关准谐振( z e r o - c u r r e n t - s w i t c h i n g z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g q u a s i r e s o n a n t , z c s z v s - q r ) b u c k b o o s t 双向d e d e 变换器，其中s l 为零电压开 关工作s 2 为零电流开关工作。 l r l o j - j v i 呕 j 。 ( a ) z c s f l v s - q rb u c k b o o s t 双向d c - d c 变换器( b ) z v s f l c s - q rb u c l c t b o o s t 双向d c - d c 变换器 圈1 2 4 准谐振双向d c - d c 变换器 s ll r s 2 ( a ) z c s z v s - q r( b ) z v s z c s - q r 图l 。2 5 准谐振双向d e - d e 基本变换单元 1 4 双向全桥d c - d c 变换器的研究第一章绪论 利用如图1 2 5 所示的准谐振双向d c d c 基本变换单元，替换原常规的硬开关双向d c d c 基本变换器中的基本变换单元，便可以得到系列化的准谐振双向d c d c 变换器。 在高频i = 作条件下，对于m o s f e t 来讲，由于其漏源极间寄生电容以及其本身开通速度 快的缘故，与零电流开关条件相比，零电压开关条件对它来讲更为有利。图1 2 6 为恒频零电 压开关多谐振( c o n s t a n t - f r e q u e n c yz e r o - v o l t a g e - s w l t c h i n gm u l t i r e s o n a n t ，c f - z v s m r ) 双向 d c - d c 变化器，s i 和s 2 均为零电压开关工作。 s ihs 2 图i 2 6c f - z v s - m rb u c k b o o s t 双向d c - i x ? 变换器圈i ，2 7 多谐振双向d c - d c 基本变换单元 利用如图1 2 7 所示的多谐振双向d c - d c 基本变换单元。替换原常规的硬开关双向d c - d c 基本变换器中的基本变换单元，便可以得到系列化的多谐振双向d c d c 变换器。 恒频准谐振及多谐振双向d c d c 变换器在输入电压或负载变化时，都是通过调节变换器 中的两个开关管各自的开通持续时间来保证频率不变，并且仍能维持软开关工作，但同时一 般要检测开关管零电压或零电流状态，因此变换器的控制驱动比较复杂。 谐振类变换器存在功率器件的电压及电流应力大，通态损耗高，软开关的负载范围受限 的缺点。还有谐振类变换器对器件的寄生参数分散性较敏感，不太适合工业化大规模生产。 多数谐振类双向d c - d c 变换器仅适用于百瓦以下的小功率应用场合。 1 3 2 准方波( q s w ) 零电