（电力电子与电力传动专业论文）pwm加相移控制的双向dcdc变换器.pdf

a b s t r a c t b i d 订e c d 雠塌ld c d co o n v e 坤玎sw i ub ew i d e l yu s e di na p p l i c a t i o n s s u c h 嬲d cu n i n t e r r u p t i b l 。 p o w c rs u p p l i c s ，a e r o s p a c ep o w e r s y s t e m s ，e l e c t r i cv e h i c l e s a n da d v a n c e dm o b i l eg e n 。a 协r 蛐 i l lo r d e rt om i l i 】血i z es i z c 卸dw e i g h t o ft h ec o n v e r t e r s ，s w i t c h i n gf t e q u e n c ym u s t b ei n c r e a s e db u t t h ei n c r e a s eo fs w i t c h i n gf r e q u e n c yr e s u l t si nh i g h e rs w i t c h i n g l o s s t h e r ea r em a n yt e c h n i q u e s t os 0 i v e t h i sd r o b l e m s o m ec i r c u i t su s er e s o n a n t ，q u a s i - r e s o n a n t ，a n d o rm u l t i - r e s o n a n tt e c h n i q u e s h o w e v e f ， v o b g e c m - r c n ts s s e si nt h c s ec o n v e r t e r sa r eh i g h e ra n dr e q u i r e t h ed e v i o e so fh i g h e rv ar a t i i i g s o m ec i r c a i t su p a s s i v es n u b b e r so r a c t i v ec l a m pt e c h n i q u e s h o w e v e rt h e s ec o n v e r t e r sb e c o m e m o r e c o m # i c a t e p h a s e - s h i f tz v s t e c h u i q u ch a sb e e nu s e di nb i d i r e c t i o n a ld c d cc o i w e r t c t $ s i n c ei t c 孙 r c a l i z ez v sf o ra l ls w i t c h e sw i t h o u ta u x i l i a r ys w i t c h e sh o w e v e r w h e nm e a m p l i t u d eo f i n p u tv o l t a g ei s n o tm a t c 峙dw i mt h a to f o u t p u tv o l t a g e ，t h ec u r r e n ts f f e s s e sa n d r m sc u r r e n t so f t h ec o l l v e i t e r sb e c o m e h i g h e r i na d d i t i o n t h ec o n v e r t a l sg a i tn o ta c h i e v ez v s u n d e rl i g h t - l o a dc o n d i t i o n t h i sp a p e rp r o p o s e sap w m p l u sp h a s e s h i f tc o n t r o lt e c h n i q u e t h ep w mc o n t r o lo fd u t yc y c l e s a c t sa s 柚e l e c t r i ct r a n s f o r m e rw h i c hr e g u l a t e st h ea m p l i t u d e so fe q u i v a l e n ti n p u tv o l t a g e a n d e q u i v a l e n t o u t p u tv o l t a g e ，s ot h a tb o t hp o s i t i v ea n dn e g a t i v ea m p l i t u d e so fe q u i v a l e n ti n p u tv o l t a g ea r ee q u a lt o t h o s eo fe q u i v a l e n to u t p u tv o l t a g e c o m p a r e dw i t hp h a s e - s h i f tc o n t r o l ，p w mp l u sp h a s e - s h i f t c o n t r o l c 醐r c d u o et h ec u r r e n ts t r e s s e sa n dr m s c u r r e n t so ft h ec o f l v c n e et h el o s so ft h ec o n v e r t e rc a na l s o d e c r e a s ei ti sp r o v e dt h ec o n v e r t e rc a na c h i e v ez v s i nl a r g e rl o a dv a r i a t i o n t h eg e n e r a t i o n so f t h ep w mp l u sp h a s e - s h i f tf a m i l i yi se x p l a i n e d t a k e na sa ne x a m p l e o f t h ef a m i l y , t h eo p e r a t i o np r i n c i p l e sa n da n a l y s e so f o n ep a r t i c u l a rc o n v e l t e ra r ei l l u s t r a t e d r e s p e c t i v e l y s i m u l a t i o n r e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa l ea l s op r e s e n t e d k e y w o r d s ：p w m c o n w o lt e c h n i q u e ，p h a s e - s h i f tc o n t r o lt e c h n i q u e ，l y t d i r e c t i o n a ld c d c c o n v e r t e r s 塑兰查兰翌圭兰竺堡圭 塑! ! ! 生 第1 章绪论 本章介绍了双向d c d c 变换器的原理和用途、双向d c d c 变换器的拓扑及其软开关技术。 针对双向d c d c 变换器研究现状，阐明了开展双向d c d c 变换器研究的目的和意义，并简要介 绍了本论文提出的p w m 加相移控制双向d c d c 变换器的特点。 1 1 双向d c i ) c 变换器的原理和应用 1 , 1 1 双向d c d c 变换器原理 双向d c d c 变换器可广泛的应用于直流不停电电源系统、航天电源系统、混合电动汽车中 的辅助动力供应系统、直流电机驱动电路、移动发电系统及其它应用场合。在这些需要能量双向 流动的场合，两侧都是直流电压源或直流有源负载，它们的电压极性保持不变。 如果使用单向d c d c 变换器来实现能量的双向流动，则需要将两个单向d c d c 变换器反并 联，如图1 - 1 ( a ) 。单向d c d c 变换器被用来控制处理从巧到巧的能量流动，当需要能量反向 流动时就使用单向d c d c 变换器。但是这样总体电路就会变得复杂，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。 将双向d c d c 变换器置于n 和巧之间，控制能量的双向传输川，如图1 1 。 和厶分别 是n 和屹的平均输入电流。根据实际应用的需要，可以通过双向d c d c 变换器的控制使能量从 巧传输到巧( 称为正向工作模式，此时 为负，而厶为正) ，或使能量从传输到巧( 称为反向工 作模式，此时 为正，而厶为负) 。 正曲j 作模式 ( a ) 双- 单向变换器结构 - 反向上作模式 ( i i 0 ，1 2 0 ) ( b ) 双向d c d c 变换器结构 图i - l 双向d c d c 变换功能框图 单向d c d c 变换器含有如图l - 2 ( a ) 所示的单向基本变换单元，这个基本变换单元由个有源 开关和一个二极管构成。由于二极管d 2 的存在，能量只能单方向传输。而双向d c d c 变换器含 堂堡苎兰翌主兰竺兰圭 一一兰二! ：! 竺 有如图1 - 2 彻所示的双向基本变换单元，此双向基本变换单元由两个各自并有反并二极管的有源 开关构成( 这些反并二极管也可是有源开关器件体内的寄生二极管。) 。所以能量既能从巧传输到 比；也能从n 传输到虬。 s i d 2 s ls 2 t 一广r 一 ( a ) 单向o c ，d c 基本变换单元o ) 双向d c d c 基本变换单元 围j - 2 直流基本变按单元 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 使用的总体器件数目小，且可以更加快速地进行两个方向功率变换的切换。此外，在低压大电流 场合，一般双向d c 仍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。总之，双向d c d c 变换器具有电路简化、功率传输方向切换方便和低成本等优势。 1 1 2 双向i ) c b c 变换器的应用 i , i 2 1 不停电电源系统 直流不停电电源系统有两种系统结构。 一种系统结构如图i - 3 所示，直流总线上直接并蓄电池组。当外部交流输入电源掉电时，负 载由蓄电池来提供能量。正常供电时，交流输入对蓄屯池浮充。由于蓄屯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，很多直流负载对输入电压的稳定度有定要求，所以需在 直流负载与直流总线之间加入d c d c 变换器，以保持直流总线电压的稳定。因此，正常供电时， 交流电能要经过a c d c 和d c d c 二级变换，这样降低了效率。 积 电源 囤1 - 3 含单向d c ，_ d c 直流变换器的直流不停电电源系统 另一种系统结构如图i - 4 所示，蓄电池组经过双向d c d c 变换器并到直流总线上f 。正常 供电时，交流输入电源除了对负载供电外，还通过双向d c i d c 变换器对蓄电池充电。当外部交 流输入电源掉电，双向d c d c 变换器工作在反向方式，使蓄电池放电。这种系统结构的好处： 这种结构把电池充放电的工作分离出来，正常供电时，经过一级a c d c 变换，向负载供电， 2 塑兰苎竺翌主兰竺竺圭 一兰二二! ! ! 竺 提高了变换效率：运用双向d c f d c 变换器单独控制蓄电池的充放电，更容易优化充放电过程 可以延长蓄电池的寿命。 o 嘉茭 屯源 蓄 电 池 囤b 4 含双向d c m c 直流变换器的直流不停电电源系统 同样道理双向d c d c 变换器还可成为某些a c - u p s ( 交流不停电电源系统，也就是通常所 说的u p s 忡的中间直流总线与蓄电池之间的变换环节。”。图1 - 5 是在线式交流不停电电源系统 的系统结构。蓄电池组也是经过双向d c d c 变换器并到直流总线上。 懿 图1 - 5 双向d c d c 直流变换器结构的交流不停电电源系统( 在线式) 1 1 2 2 太阳能电池电源系统 卫星及空间站等航天系统的能源主要由太阳能电池阵列和蓄电池组成，航天系统对电源的体 积和重量有严格的要求( 如图1 6 ) ，商功率密度的双向d c d c 变换器成为电源系统关键性部件 b o - 1 6 。 为了发挥光伏电池的效能，太阳能电池阵列工作在最大功率跟踪点。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 变换器储存到蓄电池中；当目 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 变换器工作在反向模式， 由蓄电池向负载提供电能。双向d c d c 变换器充当蓄电池的充电器和放电器，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。 另外适合于偏远地区应用的太阳能照明装置中，双向d c d c 变换器可以减少变换器的个数， 从而提高整个系统的效率。 3 兰兰苎兰翌主兰竺兰兰苎二! ! 竺 姗一 囱昏蓁 图i - 6 航天直流电源系统 1 1 2 3 电动汽车 随着科技的发展、社会的进步、人们环保意识的不断增强，曾经为人类生活带来巨大便利的 汽车，己成为城市大气的主要污染源之，正日益受到人们的关注。美国加利福尼亚州的大气资 源局在1 9 9 0 年l o 月提出了全世界第一个限制汽车废气排放的法案。此后，发达国家纷纷投入巨 资，开发研究新型零排放汽车一一电动汽车。电动汽车以电能为主要的能源，通过电动机驱动汽 车。电动汽车相比于燃油汽车，具有减小环境污染、提高能源的利用率等优点，所以它将成为陆 上主葵交通工具之一。 电动汽车中的电动机是典型的有源负载，从其输入端来看既能吸入能量也可输出能量。在蓄 电池供电的电动汽车中，随着蓄电池放电深度的变化，蓄电池的端电压发生较大变化，影响电机 的驱动性能。 为了解决以上的问题，在蓄电池和逆变器之间引入双向d c d c 变换器1 18 - 2 5 】，如图1 7 所示。 当蓄电池驱动电机时，双向d c d c 变换器工作在升压状态，通过控制电机输入电压，改善电机 的驱动性能和提高驱动效率。另方面，双向d e d c 变换器可以将制动时由动能转化而来的电 能回馈给蓄电池，提高了整个系统的效率。 蓄 电 池 圉l 7 双向d c d c 变换器直接驱动直流电机系统 而对于采用异步电机、无刷电机、永磁同步电机和开关磁阻电机等方案，双向d c d c 变换 器除了可以调节逆变器的输入电压和控制回馈制动，还能减小电机的电流纹波。近年来，一些低 4 浙江走学硕士学位论文 第l 幸绪论 输入感抗的电机应用越来越多，它们具有高功率密度、低的转动惯量、平滑的转动以及低成本等 优点。电机的电流纹波由电机输入端的瞬时电压和电机反电势- 瞬时值的差决定的。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。 这时使用双向d c d c 变换器就可以解决这个问题。以无刷直流永磁电机的驱动为例1 1 b - ”。】，如 图i - 8 所示，这类电机一股可用于电动汽车的直接车轮驱动。根据电机反电势瞬时值，双向d c d c 变换器调节逆变器的输入电压，从而可以减小电机的脉动电流，电机运转更加平稳，减小损耗。 再生制动时，电动汽车的动能转换为电能经双向d c d c 变换器回馈到蓄电池。 圈i - 8 低感抗直流电机驱动与再生制动系统 燃料电池是使h 2 与空气中的0 2 反应发电的装置，污染极少，是2 1 世纪最有前途的动力源。 燃料电池电动汽车也需要双向d c d c 变换器【2 6 侧。燃料电池系统的框图如图1 - 9 所示，一般含 有一个压缩电机。正常运转情况下，压缩电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。这个辅助电源由1 2 v 蓄电池供电，它有两个 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 变换器将再生制动的能量存储到蓄电池中。 图i - 9 燃料电池电动汽车电力驱动系统 双向d c r d c 变换器在电动汽车中的应用还包括为弥补蓄电池瞬时输出功率有限的缺陷，通 5 堂兰苎兰璺主兰竺竺主 一苎二兰! 坚l 2 0 0 03 6 0 0r p m 2 5 0 v a c - 4 5 9 v a ci j o 6 0 九0 0 h z 洲。审 2 8 v 辅助 负载 2 1 v 带电池 控制 电源 图1 1 0 移动发电系统的结构框图 1 2 双向d c d c 变换器拓扑概述 许多单向直流交换器都可通过将其中无源开关替换为有源开关而成为双向d c d c 变换器n 3 6 - 3 8 1 。单向d c d c 变换器的所有基本拓扑都可由此转变成相应的双向直流变换基本拓扑。图l - l l 为六个单向d c d c 基本变换器，图i - 1 2 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p 9 l 中所述的双向d c d c 变换器，文献【1 6 l 中的六个双向d c d c 变换器，以及 文献”中所述的十个半桥式双向d c d c 变换器，实际就是这些双向d c d c 基本变换器或是在它 们的输入端或输出端增加滤波器后的简单变形拓扑。 6 + 十 ，l 【d 2 v 一 一 一 1 二l二 ( b ) b o o s t v l 习l v 2 二： ( c ) b u c k b o o s t + 一 j “ i j i ) 2v l 斗 ( d ) 西k 7 l ( a ) b u c k b o o s t v l 习b 2 f ：i： ( c ) b u d ( b o o s t ( d ) c f i k 浙江天学硕士学位论史第1 幸培论 o 【1 ) 2 v ( dz c l a 圉1 - l i 单向d c d c 基本变换器族 ( e ) s e p i c z c t 8 圈l - 1 2 双向d c d c 基本变换器族 还有些由双向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 3 所示的b u c k - b o o s t 级联型双向d c d c 变换器。正向工作期间船和脚始终关断， s 和船工作。在正向升压时，s 保持导通状态，髓脉宽调制工作：正向降压工作中，髓保持 关断状态，研脉宽调制工作。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，另外功率器件为硬开关工作。 2 图1 - 1 3 b 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“”、正激式、推挽式”“、桥式、电流馈式及其它一些 8 塑兰查兰翌主兰竺兰圭一墨二! ! 生 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因其结构最简单，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1 4 1 3 中提出如图1 - 1 4 所示的反激式双向 d c d c 变换器，当船保持关断，副脉宽调制开关工作时，就如同一般的单向反激式变换器，能 量从n 传输到n ；反之亦然。但是，和常规单向反激式变换器一样，由于变压器漏感的存在， 该双向反激式变换器中的开关器件关断时承受着极大的电压振荡和开关应力。 文献4 2 】中的对称推挽式结构双向d c d c 变换器如图1 1 5 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。三，和2 均为滤波电感。正向工作中，脚和曲脉宽调制开关， 邸和尉保持关断：反向工作中，邸和脚脉宽调制开关，s ，和髓保持关断。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器件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 4 反激式飙向d c d c 变换器图1 1 5 推挽式双向d c d c 变换器 桥式双向d c d c 变换器适合在中、大功率场合应用i “1 1 ，2 2 5 ，3 1 , 4 3 。典型电路如图卜1 6 所 示，这类变换器也被称作双有源桥式变换器。变换器的结构很简单，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。开关器件和似凹和筘的驱动脉冲相同，“和凹 脉冲是互补的且占空比均为5 0 。同样开关器件5 和5 矾s ? 和5 3 的驱动脉冲也相同，引和船 脉冲是互补的且占空比也均为5 0 。通过改变变换器中开关器件卯和5 之间的相角差，也就是 两个变化单元之间的相角差来控制直流源之间的能量流动的大小和方向。变压器的漏感为主要的 能量传输元件。无须另外加入任 可辅助开关或无源谐振网络，利用自身的寄生参数，变换器中所 有开关器件均可在双向变换中工作于零电压开关状态【“川。缺点是由于将变压器的漏感作为主要 的能量存储和传递元件，所以一定程度上增加了变压器设计和制造的难度，影响变压器的性能。 在正向或反向运行时，功率的传递是由变压器两侧所加电压之间的相移来控制的，所以变压器两 侧的开关器件都是触发导通的，存在较大内部循环能量，通态损耗较高。 9 塑兰茎兰璺圭兰竺竺圭一苎二三! ! 竺 另外也有电流馈电式的桥式变换删4 ”，典型电路如图1 - 1 7 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。正向运行时，开关器件p 和躲秽和以仍互补且 占空比仍为5 0 。开关器件s i $ 4 不加任何驱动脉冲，利用其自身的反并二极管起到整流作用。 通过改变开关器件口和础之间的相角差来控制功率的传输。优点是使得变压器一侧的输入电流 输出电流连续，这样可以减小输入电流输出电流的纹波，从而减小明i 。同时其自身也具有较 强超负荷能力和短路保护能力。但由于增加了一个电感( 即磁性元件) ，增加了体积和重量。开 关器件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 碰到要专门解决的启动问题f 2 “”，这样又会在一定程度上增加变换器的复杂性。 删卜j 7 电梳馈桥式双向d c d c 变换器 还有一些混合式踊离结构的双向d i 铘) c 变换器，如图i 1 8 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结构( 图中被淡化的部分，d i 、d 2 及b j 作用是保持c ，和 c 2 的电压分配均衡) ，副边为电流馈推挽变换结构f ”j 。正向工作模式中，、黝保持关断，仅以 其反并二极管参加整流工作，而原边研、& 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，巧经变换器给电池充电：反向工作模式中，即、髓保持关断，仅以其反并二极 1 0 塑兰竺璺主兰竺查一生! 竺 管参加整流工作，而副边船、彤如同常规电流馈推挽型单向d c d c 变换器样高频脉宽调制开 关工作，电池巧经变换器放电，给原边侧负载供电。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。 圈1 - l g 半桥，推挽型双向d c d c 变换器 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 交换器中的使用将会大大提高变换器的效率2 5 、”、“ 4 删。 1 3 双向d c d c 变换器软开关技术现状 传统p w m 控制方式下的双向d c d c 变换器的开关器件工作在硬开关状态。由于开关器件 不是理想器件，在开通时开关器件的电压不是立即下降到零，而是有一个下降时间，同时它的电 流也不是立即上升到负载电流，也有一个上升时间。在这段时阃里，电流和电压有一个交叠区， 产生开通损耗。当开关器件关断时，同样电流和电压也会有一个交叠区，产生关断损耗。在定 条件下，开关器件在每个开关周期中的开关损耗是恒定的。变换器总的开关损耗与开关频率成正 比，开关频率越高，总的开关损耗越大，变换器的效率就越低。开关损耗的存在限制了变换器开 关频率的提高，从而限制了变换器的小型化和轻爨化。 除此之外，当双向d c d c 变换器( 例如m o s f e t ) 工作在电流连续模式时，开关器件体内二 极管关断时的反向恢复电流产生的电流尖峰对开关器件有极大的危害。常用的解决办法是采用额 外串并快速二极管的方法，这样在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，还增加了变按器的通态损耗，对非高压应用场合中提高效率并没有好处。 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。而高频化必然解决开关损耗问题。近年来国际上在双向d c o c 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 堂兰查兰翌兰兰竺竺圭 一! ! ! ! 坚 率。软开关技术实际上是利用电感和电容来对开关器件的开关轨迹进行整形，最早的方法是采用 有损缓冲电路来实现。从能量的角度来看，它是将开关损耗转移到缓冲电路消耗掉，从而改善开 关器件的开关条件。这种方法不能显著减小变换器的开关损耗，甚至会使效率有所降低。目前所 研究的软开关技术不再采用有损缓冲电路，而是真正减小开关损耗，而不是开关损耗的转移。 软开关技术给d c 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的电磁干扰”】。 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。因为当能量传输方向改变之后，那些曾为实现软开关的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，甚至可能增加开关应力和损耗。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f 3 1 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。 1 3 1 谐振类双向d c i ) 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。 l rl o v 2 田1 。1 9 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 图l - 1 9 为单周谐振b u c k b o o s t 双向d c d c 变换器，其中上，和c ，为谐振电感和谐振电容。 图1 - 2 0 为变换器工作的原理波形。在正向工作模式，船关断，跚与互补开关工作，l r 和c ， 在鄙开通期间发生谐振，从波形中可以看出，鲫为零电流开通和零电流关断，而由于。的缘故， 为零电压开通和零电压关断；在反向工作模式中，船始终关断，鲫与酗互补开关工作， 和c ，在研开通期间发生谐振，从波形中可以看出，肼仍为零电流开通和零电流关断，髓为零 1 2 兰l 江兰兰堡主兰竺兰兰一一墨二! ：! ! 竺 e e 压开通和零电压关断。 s l 】匣! 坚 3 叵s i 】匣坚 妇 s 3 竺! 二夏 业 8 2 竺! 二夏 唑 h 仁 ( a ) 正向工作模式( b )反向工作模式 图l - 2 0 单周谐振b u d c b o o s t 变换器原理波形 通过利用如图1 2 l 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。 ( a ) z c s z v s - s c y r( b ) z v s z c s s c y r 图1 2 l 单周谐振双向d c d c 基本变换单元 谐振双向d c d c 变换器较好地降低了开关损耗，但正如谐振d c d c 变换器一样，需变频工 作，变频控制使得变换器的滤波器的优化设计困难，通态损耗较大。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及多谐振双向d c d c 变换器1 1 9 , 3 6 - 3 ”。 v v 2v l rl o ( a ) z v s z c $ - q rb u c k b o o s t 双向d c d c 变换器( b ) z c s z v s - q rb u c k b o o s t 双向d c d c 变换器 图l - 2 2 准谐振双向d c d c 变换器 图t - 2 2 ( a ) ：为恒频零电压开封零电流开关准谐振b u c k b o o s t 双向d c d c 变换器，变换器工作 在b u c k 模式时，也就是从巧向传输能量，变换器的等效图及其主要波形如图1 2 3 ( a ) 所示， 从波形图可以看出，s ，为零电压开关工作，变换器工作在b o o s t 模式时，也就是巧向巧传输能 量，变换器的等效图及其主要波形如图 - 2 3 ( o ) y 行示，从波形图可以看出，s 2 为零电流开关工作f 。 1 3 塑兰查兰翌圭兰竺竺圭兰二! 二兰竺 图1 2 2 为恒频零电流开关零电压开关准谐振b u c k ，b 0 0 s t 双向d c i ) c 变换器，其中s j 为零电 流开关工作，5 2 为零电压开关工作。 v 一一 1 - 啊圈广 r 、 7 八 7 厂、 、 广一 r 一1 。 r l 瞄啊i 一 圈 r 、厂、 7 。 7 ， 、卜 n 7 ( a ) 正向模式( b u c k z v s )曲) 反向模式( b o o s t z c s ) 图1 2 3c f - z v s z c s - q r c 的电路原理图和相关波形 利用如图1 - 2 4 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。 ( a ) z c s z v s q r( b ) z v s z c $ - q r 图l - 2 4 准谐振双向d c d c 基本变换单元 堂兰查兰翌主兰竺兰查型! 一塑 v 1 图1 2 5 多谐振b u e k b o o 吼双向d c f d c 变换器 在商频工作条件下，对于m o s 肿来讲， 圈l - 2 6 多谐振双向d c 1 3 1 c 基本变换单元 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 5 为恒频零电压开关 多谐振双向d c d c 变换器，田和髓均为零电压开关工作i ”, 3 3 1 。 利用如图1 - 2 6 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 两个开关器件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 测开关器件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等缺 陷。还有谐振类变换器对器件的寄生参数分散性较敏感，谐振参数的调制成本高。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 准方波零电压开关p w m 双向d c d c 变换器 文献1 。5 2 1 中采用准方波零电压开关技术。如图1 2 7 所示，开关以互补方式工作。变换器在 主功率电感的作用下，每一个开关在其开通前，有电流流经其反并二极管，两端电压被降低到零， 这样为功率开关提供了零电压开通条件。该技术的优点是拓扑与常规硬开关双向d c d c 变换器 相同，定频控制，但存在电流纹波超过两倍负载电流的缺点，因此该变换器的开关器件通态损耗 和主电朦电流纹波过大造成磁芯损耗较高，影响了变换效率。为了减小变换器的损耗，一般采取 并加功率管和多模块技术。 1 5 塑兰查兰翌主兰堡堡兰 一苎二主! ! 竺 。田塑田坚 乩 哩田! 坚田 图1 0 7 准方波零电压开关技术 ( b ) 1 3 3 零电压开关相移控制桥式双向d c d c 变抉器 桥式双向d c d c 变换器较易通过相移控制实现软开关 1 0 1 1 , “毪”，“。5 。5 ”，文献【“”1 第一次 将相移控制方式应用于双向d c i ) c 变换器。这类变换器被称为双有源桥式变换器。该变换器适 于高电压、大功率的应用场合。变换器的原理图如下： 相移 厂 v 图1 2 8 相移控制双向变换器的原理圉 r ，：= 一l 噩 变换器的结构很简单，变换器隔离变压器的两端各有个电压镄电式的全桥式变换单元。开 关器件1 和4 、2 和3 、1 和4 、2 和3 的驱动脉冲是相同的；l 和2 、l 和2 的脉冲是互 补的且占空比均为5 0 。通过改变两个变换单元之间的相角羞( 即开关器件1 和1 之阃的相角 差) 来控制两令直流源之阗的能量流动台q 大小和方向。各个开关器件的脉冲、变压器两端的电压 和漏感电流如图4 所示。变压器的漏感为主要的能量传输元件。无须另外加入任何辅助开关或无 源谐振网络，利用自身的寄生参数( 开关器件的结电容和变压器的漏感) ，变换器中所有开关器 件均可在双向变换中工作于零电压开关状态。 优点是控制相对简单，定频工作，而且一般不用增加辅助器件即可实现软开关，对系统的寄 生参数不敏感，变换器中器件的电压电流应力较小，较适于大功率应用场合。同单向d c d c 桥 1 6 塑兰查兰璺圭兰竺垒苎 一 一苎三! ! ! 竺 式相移变换器类似，变换器桥臂内部开关器件互补工作，利用隔离变压器漏感中储备的能量来实 现桥臂的零电压开关；同样不足之处也是有些变换器存在较大内部循环能量，通态损耗较高，或 轻载时不能实现软开关工作。 1 3 4 无源缓冲器类双向d c f d c 变换器 无源缓冲器技术是给变换器加入无源网络来软化变换器中有源开关元件的开关过程，吸收过 冲。优点是没有额外引入辅助有源开关，不增加原变换器的控制复杂度【4 3 ，“。如图0 2 9 所示为 文献【4 ”中的一种应用无源缓冲器的桥式双向d c d c 变换器，其中c ，、l r 、d r 、印即为额外加 入的无源缓冲网络，它吸收了副边电流馈电路中的电压尖峰。相对于最简单的r c d 吸收器，它 基本不消耗功率。这类电路的不足是不能完全抑制电压尖峰，只是减缓。 i ，o 圈 - 2 9 一种应用无源缓冲器的桥式双向d c ，d c 变换器 1 3 。5 有源缓冲器类双向d c d c 变换器 文献【5 2 1 ，2 “姐5 ”中通过加入些有源缓冲器来达到零电压转换或零电流转换的目的。它们的 共同特点是变换器基本保持一般的p w m 方式工作，额外引入的辅助有源开关和辅助谐振网络， 只是在主开关器件开通或关断之前工作一小段时间，使得主开关器件工作于软开关状态。这类变 换器的另外一个好处是器件的电压应力较小。 以文献8 ”为例，如图1 - 3 0 所示为零电压转换敏向d c d c 变换器，它实际上可看作是两个单 向的零电压转换d c d c 变换器的反并联得到的，其中叫和髓为主开关，它们构成b u c k b o o s t 双向d c d c 变换器，s l a 和s 2 a 是辅助开关，l r 为辅助电感。零电压转换技术主要用于多子器 件( 例如m o s v x t ) ，在主开关开通前提前使其两端电压降低到零，重点降低开通损耗。图1 - 3 1 所 示为零电流转换双向d c d c 变换器，同样它也可看作是两个单向的零电流转换d c d c 变换器的 反并联得到的，s 和船为主开关，构成b u c k b o o s t 双d c d c 变换器，s l a , 和s 2 a 是辅助开关， 1 7 渐江大学硕士学位论文第1 幸特论 和c ，为辅助谐振电感和电容。零电流转换技术则主要用于少子器件( 例如i g b t ) ，迫使主开关 的电流在关断前被降低到零或负值，重点降低其关断损耗。相对于零电压转换技术，零电流转换 变换器中存在较大的振荡电流峰值。 l l j 茎| - 3 0 零电压转换双向d c d c 变换器 图i - 3 1 零电流转换瘢向d c d c 变换器 在隔离式的双向d c d c 变换器中也有采用有源缓冲器来达到软开关的实例，如图1 - 3 2 所示 即为一种z c s 反激式双向d c d c 变换器【5 7 】。通过给原反激式双向d c d c 变换器的变压器加一 个额外的绕组，连接辅助开关黜、肼和辅助谐振电感l u 及谐振电容c a 。变换器所有的开关均 可实现零电流开关工作，相对于原硬开关反激式变换器，降低了器件的开关损耗，不过开关器件 关断时仍有电压过冲，并且导通时有超过正常值较多的谐振电流纹波。 v 闺i - 3 2 z c s 反撒式双向d c ，d c 变换器 总的来讲，该类变换器的一点不足是辅助开关数目较多( 一般有几个主开关就需加入几个辅助 开关) ，而且往往辅助管工作为硬开关或软开关条件并不理想。 1 3 6 有源钳位类的双向d c d c 变换器 近十年来，有源钳位技术在单向d c d c 变换器中得到了广泛的应用，通过加入有源钳位支 路有效地将主开关器件关断后的电压钳位，去除了电压过冲和振荡，减小了器件的电压应力，而 1 8 堂兰查兰翌主兰竺竺查 苎! 兰竺堡 且在一定条件下还可实现软开关。有源钳位技术也可用于双向d ( 如c 变换器，如图1 - 3 3 所示， 文献 2 6 - 2 8 1 提出了一种有源钳位的双向d c d c 变换器。该变换器在图l 一1 7 所示的电流馈全桥式双 向d c d c 变换器的基础上，引入有源钳位辅助电路勋和。有源钳位电路消除了改良前拓扑 中电流馈全桥端存在电压应力大的缺陷。在正向工作中，变换器以有源钳位隔离式b o o s t 电路方 式工作，右端全桥起到二极管整流的作用，变换器左端全桥及辅助钳位管均工作于零电压开关状 态；反向工作中，变换器右端的全桥以相移方式工作，并通过左端的全桥和辅助钳位管的配合工 作，削减了相移工作中变换器中的循环能量，同时维持左端全桥的零电压零电流软开关工作条件。 i ，i v 图l - 3 3 有源钳位双向d c ，d c 变换器 1 3 7 混合型软开关双向d c d c 变换器 目1 - 3 4 种混合型软开关双向b c d c 变换器 由于许多单向d c d c 变换器中的软开关技术往往只能在一个能量传输方向上实现，而当能 量反向传输时，软开关条件将不再满足。所以一些双向d c r d c 变换器采取了混合型软开关技术， 即变换器两个不同的变换模式中各自采用一种软开关工作方式。如图1 - 3 4 所示的电路，在充电模 式中，辅助电路s r 和l r 不参与工作，变换器以类似准方波零电压开关p w m 方式工作；而在放 电模式中，辅助电路参与工作，与z v t 工作方式类似【5 8 l 。 r 1 iiiij“i 塑兰查兰翌主兰竺竺圭 一苎二：兰! ! 竺 1 4 新型软开关双向d c f d c 变换器的研究内容及意义 鉴于双向d c d c 变换器的应用前景和研究现状，致力于开发新型软开关双向d c d c 变换器 的研究很有必要。 谐振、准谐振或多谐振变换器的电压电流应力较高，变频控制增加了滤波器设计的难度，所 以影响了此类结构的推广应用；能量缓冲吸收电路或有源钳位电路方案，由于需要增加多个额外 辅助元件，增加了变换器的复杂性；全桥相移技术方案，由于主电路无需增加额外元件，只需利 用相移控制，即可实现软开关，因此引起关注。 图1 3 5 常规桥式相移控制双向d c d c 变换器图1 3 6 相移控制双向d c d c 变换器的简化电路 1 厂 i ： l 厂_ = r j 7 l 鬈i 7 卢争棼莎 a 誓，丘产 1 厂 7 i ： 厂可r ji 至f 卜。 ( a )( b ) 图1 3 7 简化电路的原理波形 圈1 - 3 5 为全桥式相移控制双向d c d c 变换器的原理结构框图，在变换器隔离变压器的两端 各有一个全桥式的变换单元。通过控制两个桥式变换单元之间的相位关系，来达到调节两个直流