6.5kW车载充电逆变双向变换器设计.pdf

（申请工学硕士学位论文） 6.5kw 车载充电逆变双向 变换器设计 培 养 单 位 ：自动化学院 学 科 专 业 ：电力电子与电力传动 研 究 生：刘庭 指 导 老 师 ：全书海 教授 2014 年 5 月 6.5kw 车 载 充 电 逆 变 双 向 变 换 器 设 计 刘 庭 武 汉 理 工 大 学 万方数据 分类号 密 级 公开 udc 学校代码 10497 学位论文 题 目 6.5kw 车载充电逆变双向变换器设计 英 文 design on bi-directional converter of 6.5kw on borard charger and 题 目 inverter for electric vehicle 研究生姓名 刘庭 姓名 全书海 职称 教授 学位 博士 单位名称 自动化学院 邮编 430070 申请学位级别 硕 士 学科专业名称 电力电子与电力传动 论文提交日期 2014 年 5 月 论文答辩日期 2014 年 5 月 学位授予单位 武汉理工大学 学位授予日期 2014 年 6 月 答辩委员会主席 全书海 评阅人 黎洪生 张立炎 2014年5月 指导教师 万方数据 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明， 所呈交的论文是我个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 获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签 名： 日 期： 学位论文使用授权书学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。 同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文， 并向社会公众提供信息 服务。 （保密的论文在解密后应遵守此规定）（保密的论文在解密后应遵守此规定） 研究生（签名）： 导师（签名）： 日期 ： 万方数据 i 摘要 随着“科技强警”概念的推广，移动警务平台在全国各省份的普及极大提 高了公安干警处理突发事件的效率，因而移动警务平台中的双向供电电源系统 能否稳定工作对整个公安系统起到至关重要的作用。本文采用隔离型的两级功 率拓扑结构，设计了一种高功率因数、高效率的车载充电逆变双向变换器，为 新型纯电动汽车车载移动警务平台提供了稳定可靠的双向供电电源系统，本文 主要研究内容如下： 提出了两级功率拓扑结构来实现能量双向流动，前级采用单相可逆桥式整 流器， 后级采用双向双半桥变换器。通过模型简化推导出移相加 pwm 控制来解 决变压器原副边电压不匹配带来的效率低下问题。以实现双半桥基本功能为前 提，设计了主电路各元器件参数。 通过引入开关函数解决了双半桥变换器难以建模的问题，建立了双向双半 桥变换器的状态空间平均模型及小信号模型。基于小信号模型推导了控制系统 的传递函数，构建了双闭环控制系统，通过波特图进行了电流内环和电压外环 控制器的设计和优化。通过仿真证明了所选控制方案的正确性及所设计控制系 统具有良好的动态和稳态性能。 在充电时，通过分析单周期控制单相可逆桥式整流器的原理推导出下降沿 和上升沿控制目标方程，建立了相应的控制原理图，借助推导系统稳定性的条 件来完成输入电感的设计，最后采用了单周期控制策略实现了功率因数校正的 仿真实验。在逆变时，采用单极性 spwm 控制提供纯正的正弦信号，分析了单 极性 spwm 控制单相桥式逆变器原理， 通过仿真来验证单极性 spwm 在控制单 相可逆桥式逆变器的可行性。 完成了试验平台的搭建，针对变换器的不同工作模式进行了实验，更加直 观的阐明移相加 pwm 控制策略相对移相控制的优越性， 测试了充电和逆变模式 下变换器的抗扰动能力和效率曲线，对恒压充电和恒流充电下的纹波进行了测 试和分析。 关键字：双向双半桥，移相加 pwm 控制，单周期控制，单极性 spwm 控 制 万方数据 ii abstract with the promotion of the concept of strengthening police by science and technology , the popularity of mobile police platform in the provinces of the countrys greatly improves the efficiency of the policemen to handle with emergencies, thus whether two-way power supply system in mobile police platform stable work or not plays a crucial role in the whole public security system. in this paper, by using a two isolation levels of topological structure design a high power factor, high efficiency of on-borad charger-inverter bidirectional converter, providing a stable and reliable two-way power supply system for mobile police platform in blade electric vehicles . this main research contents of this article are as follows: propose two levels of topological structure of power to achieve bi-directional flow of the energy,the first stage adopt a single-phase reversible bridge rectifier and the final stages adopt an isolated bi-directional dual half bridge converter. through the model simplified, we can deduced that combination phase-shift plus duty cycle control can solve the low efficiency problem of the former vice edge voltage mismatching in transformer . on the premise of realizing the basic skills of dual half bridge to design components parameters in main circuit. by introducing a switching function can solve the difficulty to modeling of dual half bridge converter, established the state space average model the small signal model of bi-directional dual half bridge converter. based on small signal model to deduce transfer function of the control system ， build the double closed loop control system. through the plot of the current inner loop and voltage outer loop, controller has been designed and optimized. through the simulation has proved the validity of the selected control scheme and the designed control system has good dynamic and steady performance. when charging, through the analysis of single-phase reversible bridge rectifier with one cycle control, deduced the target control equation of falling and rising edges, established the corresponding control principle diagram. based on the conditions of the system stability, a calculation formula of the input inductor is derived. finally, one cycle control was adopted to realize the simulation of the power factor correction. when inverting, single polarity spwm control has been adopted to provide pure sine signal. 万方数据 iii analysis the single polarity spwm control principle in single-phase bridge inverter. through simulation to verify the feasibility of the single polarity spwm control in the single-phase reversible bridge inverter. completed the construction of test platform. by testing different working modes of the converter, illuminated the superiority of the phase-shift plus duty cycle control over the phase-shift control intuitively. tested the ability to resist disturbance and efficiency curve of converter in charger and inverter mode. the ripple of constant voltage and constant current in charging mode were tested and analyzed. key word： bi-directional dual half bridge, phase-shift plus duty cycle control, one cycle control, single polarity spwm control 万方数据 iv 目录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 选题背景与意义 . 1 1.1.1 选题背景 . 1 1.1.2 选题意义 . 2 1.2 车载充电逆变双向变换器相关技术研究现状 . 3 1.2.1 双向 dcdc 变换器研究现状 . 3 1.2.2 车载充电器控制策略研究现状 . 5 1.2.3 车载逆变器控制策略研究现状 . 7 1.4 本文研究内容 . 8 第 2 章 车载充电逆变双向变换器总体方案设计 . 10 2.1 主要技术指标 . 10 2.2 两级功率拓扑结构及双向控制方案选择 . 10 2.2.1 两级功率拓扑结构选择 . 10 2.2.2 双向控制方案选择 . 11 2.3 主电路参数设计 . 21 2.3.1 高频变压器设计 . 21 2.3.2 升压电感设计 . 23 2.3.3 功率器件选型 . 26 2.3.4 电容选取 . 26 2.4 本章小结 . 27 第 3 章 双向双半桥变换器建模与仿真 . 27 3.1 主电路状态空间平均法建模 . 28 3.2 双向双半桥变换器控制器设计 . 36 3.2.1 控制方式选择 . 36 3.2.1 电流内环的设计 . 38 3.2.2 电压外环的设计 . 40 3.3 双向双半桥变换器仿真实现 . 42 3.4 本章小结 . 43 第 4 章 充电逆变控制策略及仿真验证 . 44 万方数据 v 4.1 充电控制策略 . 44 4.1.1 单周期控制理论 . 44 4.1.2 单周期控制单相可逆桥式整流电路原理 . 46 4.1.3 单周期控制单相可逆桥式整流器稳定性分析 . 48 4.1.4 仿真实现及分析 . 50 4.2 逆变控制策略及其仿真 . 51 4.2.1 单极性 spwm 控制可逆桥式逆变器控制原理 . 51 4.2.2 仿真实现及分析 . 52 4.3 本章小结 . 53 第 5 章 实验结果及分析 . 54 5.1 充电模式下各指标参数测试及分析 . 54 5.2 逆变模式下各指标参数测试及分析 . 58 5.3 本章小结 . 61 第 6 章 总结与展望 . 62 6.1 全文工作总结 . 62 6.2 下一步工作展望 . 63 致谢 . 65 参考文献 . 64 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 选题背景与意义 1.1.1 选题背景 鉴于公安干警工作具有紧急性、随机性，偶然性等特点，为了方便公安干 警有效的工作，从 2004 到 2008 的 5 年内，陆续在全国各省份重点城市分批次 实施了“科技强警”试点城市建设工作。开发建设的无线移动警务平台更加方 便公安干警更好的执行突发案件，同时可以利用移动警务平台来辅助破案和执 行公务，很大程度地改善了公安部门警务人员的破案水平和办事效率1。所以， 加速研制高效率节能型基于纯电动大型客车的移动警务平台对提高新时代公安 部门打击犯罪，服务民众起到至关重要的作用。移动警务平台可以近距离打击 违法犯罪活动，最大限度地压缩犯罪空间，提高人民群众安全感；近距离地服 务群众，方便人民群众办事；还能提高街面警力办事效率，提高街面防控能力。 在城市中合理布建移动警务平台，可以为广大民众构建一个良好的生产、生活 治安环境。 移动警务平台不仅仅是一个暂时的检查点，而且是一个运动着的大型警务 案件处理中心。目前全国规模最大、功能最完善的移动警务平台是东风股份新 能源商用车平台为襄阳市政府所研制的基于纯电动大型客车的移动警务平台。 该移动警务平台通过实时的与民用无线网络和公安部门专网无线通讯来完成巡 查防控，维护治安，交通治理和疏导，政策宣传和服务民众等多项功能，能有 效的指挥街面 30 名交警及巡逻民警作为平台警力，形成 5 分钟快速联通全市公 安专网，更加便捷的服务民众。 移动警务平台用电设备很多，如网络设备、办公系统、视听监控系统、显 示系统、武器系统，这些庞大用电设备群组成一个高感抗、高容抗的重型负载， 在电源合闸或者是设备启动瞬间，通常有比额定电流高数十倍以上的冲击电流。 因而移动警务平台对供电系统的性能要求非常高，要求能为警务设备提供充足 的电力。 移动警务平台供电系统结构图如图 1-1 所示， 其中虚线部分为移动警务平台 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 2 的核心部分，也是设计的重点。由图 1-1 可知它连接着移动警务车内的蓄电池组 和外部供电的交流配电箱，同时受控于移动警务车内的电池管理系统 bms。结 合电池管理系统 bms 发出的控制信号和 can 总线接收到的电池单体电压，电 池单体温度和绝缘性等信息来判断是否进行充电或者逆变操作。在给蓄电池充 电环节增加了功率因数校正部分，降低了系统输入电流纹波畸变对电网的谐波 污染。 课题来源于企业委托项目“高性能移动警务平台电力系统研制” bms 开启bms及仪表 时允许变换器工 作 车载充电逆变 双向变换器 空气开关 市电 车载用电设备 （手动切换） 高压开关 主开关 预充开关预充电阻 电 池 组 车辆 24v+ 24v- can 充电 逆变 空 直 流 输 入 交 流 输 出 交 流 输 入 空气开关 充电 逆变 交流配电箱 图 1-1 移动警务平台电力系统结构图 1.1.2 选题意义 基于纯电动大型客车的移动警务平台要求充电逆变双向变换器系统能够双 向供电。当移动警务平台连接有电网时，要求充电逆变双向变换器既给网络系 统、警备系统供电，又要给电动车动力电池充电。而当执行任务地点没有连接 电网，或者警务平台在沿着街道移动行驶过程中，充电逆变双向变换器就要从 动力电池取电，为网络系统、警备系统供电2。因此，移动警务平台的充电逆变 双向变换器要根据实时检测到的电网及电池状况，既能完成充电功能，又能完 成逆变功能，即智能型充电逆变双向变换器。 根据安装位置不同，智能充电逆变双向变换器可分为地面充电逆变双向变 换器和车载充电逆变双向变换器两类。地面充电逆变双向变换器的输出功率较 大，一般统一装设在充放电电站中，如同燃油汽车的加油站一样，优点是便于 集中进行充放电管理和具有快速充电的特点。但电站建设成本相对偏高，厂房 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 3 需要占据大量的土地面积，因而大量建设电站不可取。且地面充放电机安装在 固定的地点，没办法满足电动车随时随地充电的需要。车载充电逆变双向变换 器安装于电动汽车上，通过插座或电缆与交流插座连接，方便向电动汽车提供 充电所需的单相或者三相交流电源。其优点是不管警务车内蓄电池在任何时候、 任何地方需要充电，只要有额定电压规格的交流插座，就可以对警务车进行充 电，保证其能正常工作。其缺点是受电动汽车空间的限制，输出功率较小，输 出电流小，电池需要较长的时间充电才能满足要求3。综合考虑两者利弊，在地 面充电逆变双向变换器建设数量受限情况下，将车载充电逆变双向变换器作为 补充，能有效的推动智能充电逆变双向变换器的发展。 目前市场上只有专为蓄电池充电用的充电器和专为用电设备提供电源的逆 变器456，分体式的车载充电器和车载逆变器增加了电动汽车的体积和造价。 为了消除充电状态下，输入电流高频谐波带来的高频噪声以及其对电网侧的谐 波污染，确保系统具有良好的供电质量，提高输入端功率因数，在充电环节增 加功率因数校正电路成为必然7。综合考虑，研究一款高功率高效率的车载充电 逆变双向变换器成为一种发展趋势。 1.2 车载充电逆变双向变换器相关技术研究现状 为了实现车载充电逆变双向变换器集充电逆变一体的功能，又要避免充电 时对电网的谐波污染，达到一定的谐波要求，逆变时能为车载设备提供正弦度 好的正弦信号，要求车载充电逆变双向变换器的研究主要涉及双向 dcdc 变换 器拓扑结构和控制方案的研究，充电和放电控制策略的研究三大部分。 1.2.1 双向 dcdc 变换器研究现状 双向 dcdc 变换器是指在保证输入端和输出端电压极性不变的情形下，根 据外界需求改变输入输出电流的方向从而调节能量流动的方向，即双象限运行 8。根据电路中是否需要电气隔离，可分为非隔离型拓扑结构和隔离型拓扑结构 两种910。 双向非隔离型 dcdc 变换器的常用拓扑结构结构是将基本的直流变换器 （buck，boost，buck-boost，cuk，sepic，zeta）中的无源开关用有源开关代替 构成的，具有电路简单，所需元件数目少等优点，在不需要电气隔离的场合得 到广泛应用。 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 4 通过在非隔离的双向 dcdc 变换器中增加高频变压器即可实现隔离型的 双向 dcdc 变换器， 通过配置变压器原边和副边绕组的匝比来达到不同的需求。 按照输入端直流电源的性质可分为双电压源型双向 dcdc 拓扑结构结构和电 流-电压源型双向 dcdc 拓扑结构两种，基本拓扑结构结构如图 1-2 和 1-3 所示 1112。其中图 1-2 为双电压源型拓扑结构，其特点是变压器两侧的变换器均为 电压源型，通过移相角来控制功率的流向和大小，变压器环流大，容易造成磁 芯饱和，损耗大，效率低。另一方面因为没有额外的电感，系统功率的传输借 助于变压器的漏感来完成，传输的效率低，在工作时电流纹波相对较大，功率 管所承受的电流应力大，容易误动作。图 1-3 为电流-电压源型双向 dcdc 拓扑 结构结构，为了保证低压侧电流近似为一恒流源，在低压电源侧串接一大电感 来降低电流纹波，故低压侧称为电流型变换单元。而高压侧由于电流小无需大 电感通常并联大的滤波电容，因而称为电压型变换单元。当低压侧电池放电时， 可通过采集输出端电压参数的闭环控制来实现对高压侧输出电压稳定的要求； 当高压侧母线向低压侧电池充电时，为了延长电池的使用寿命，要求对其进行 恒流充电， 所以需要对充电电流进行闭环控制。 鉴于目前电流-电压型双向 dcdc 变换器性能优于其它类型，故使用最为广泛，本文也是针对这一电路拓扑结构 进行研究。 高频逆变 器/整流器 高频逆变 器/整流器 v1 v2 低压侧 高压侧 能量流向 tr ls 图 1-2 双电压源型双向 dcdc 变换器拓扑结构 高频逆变 器/整流器 高频逆变 器/整流器 v1 v2 低压侧 高压侧 能量流向 tr ls 图 1-3 电流-电压源型双向 dcdc 变换器拓扑结构 隔离型双向 dcdc 变换器的都有两个相同的特点12：一是变换器能量的储 存和传递都是通过变压器的漏感和变压器所串联的电感来完成的，它们是变换 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 5 器进行能量传递的核心元件，也是确保变换器实现软开关的关键元件。二是通 过合理地控制开关器件的通断，使隔离变压器两侧的等效单元之间产生功率流 动。根据控制功率流动的方式的不同，双向 dcdc 变换器有以下三种控制方式 131415。 （1）占空比控制方式 占空比控制是一种定频调宽的控制方式，主要通过脉冲宽度的调节来实现 对双向 dcdc 变换器的控制。具有电路拓扑结构简单，动态响应速度快，控制 策略简单等优点。但不容易实现软开关，使得系统损耗增加，效率下降。 （2）移相控制方式 对于隔离型的双向 dcdc 变换器，以变压器为分界，参照二端口网络的定 义，从其原副边往外看分别等效为两个产生电压方波的独立单元，通过调节两 方波电压之间的相位差使输入输出电流大小及方向发生变化，从而达到控制传 输功率大小和方向目的，即为移相控制。移相控制可以实现变换器开关器件的 软开关，降低损耗，文献16 1718指出，移相控制有个缺点，当变压器两端方波 电压不匹配时传输功率达不到额定值，且流进变压器原边的电流峰峰值增大， 损耗增加，传输效率减小，因而移相控制仅在电压匹配的情况下使用。 （3）移相加 pwm 控制方式 考虑到移相控制在变压器左右两等效单元电压不匹配时的弊端，文献16提 出了一种新型的控制方式，移相加 pwm 控制。在移相控制的同时加入 pwm 控 制，通过实时调整占空比，相当于在原电路中增加了一个电子变压器来达到两 个方波电压源电压匹配的目的。通过移相控制来改变传递功率的方向和大小。 1.2.2 车载充电器控制策略研究现状 目前，车载充电器主要由整流装置和高频 dcdc 变换器构成，它是非线性 元件。随着车载充电器的引入，使得电网侧的输入电流不是正弦波，从而导致 网侧电流谐波含量高，使电网侧受到严重的谐波污染，大大的降低了系统的功 率因数。为了使电网侧的电流满足规定的谐波要求，在充电环节增加功率因数 校正电路成为必然。 功率因数校正电路按照实现功率因数采用元件的不同可分为无源功率因数 校正电路和有源功率因数校正电路19。通过在电路中加入无源网络构成的无源 功率因数校正电路能抑制电路中的电流脉冲，从而减小输入电流的谐波含量， 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 6 改善系统的功率因数。具有拓扑结构简单，稳定性强等优点。但因无源网络的 构成器件抑制电路谐波的能力差，从而造成系统的功率因数低下，一般只能校 正到 0.8 左右，且器件体积和重量也很难达到工业设计的规格。有源功率因数校 正电路则应用全控功率器件构成有源网络，采用合适的控制方式来达到输入电 流与输入电压波形相位相同且均为不失真的正弦波的目的，从而可以使得功率 因数近似为 1。这种方式可使得系统输入电流高频谐波分量少，功率因数高，输 入电压在宽范围波动的情况下仍然能正常工作，具有控制方便，系统能输出较 稳定的电压，体积小、重量轻，抗电磁干扰能力强，效率高等优点，但电路相 对于无源 pfc 而言较复杂。 有源 pfc 电路一般有两种控制方案来实现功率变换，单级 pfc 方案和两极 pfc 方案。其中单级 pfc 采用一套控制方案来同时完成对输入电流正弦化和输 出电压恒定的控制。两级 pfc 中前级通过控制功率管的动作来实现输入电流实 时跟随输入电压，达到输入电流正弦化，电流谐波小，增大系统功率因数的目 的。将负载调节作为后级，在后级的 dcdc 环节单独通过控制来保证输出电压 稳定，即前后级各采用独立的控制方案，系统灵敏度高，且分别控制容易实现。 根据输入电感电流连续与否，有源功率因数校正控制方式分为断续电流工 作方式和连续电流工作方式两种20。断续电流工作方式是一种纯电压跟踪方式， 目前常用的有恒定频率控制和时变频率控制两种。断续电流控制的特点是输入 电流中谐波含量大，输出电压的纹波也较大，造成功率管电流和电压应力大， 效率低下，且容易受到负载波动的影响。多数用在小功率和对电网谐波含量要 求不高的场合。连续电流控制依据反馈量和被控制量的选取是否为电感电流的 瞬时值，可分为直接电流控制和间接电流控制两种。其中电流闭环控制的反馈 量和控制量为整流桥输入电流的为直接电流控制，其原理是将输出电压与给定 参考信号的差值和输入电压信号的乘积作为电流控制器的参考信号，通过电流 控制器来调节输入电流跟随参考信号而变化。具有控制电流误差小、易于限制 电流大小，动态响应时间短等优点，因此直接电流控制是现在广受推崇的控制 方式。 常用的直接电流控制有峰值电流控制 （peak current mode control， pcmc） ， 滞环电流控制 （variable current mode control， vcmc） 和平均电流控制 （average current mode control，pcmc）21。 三种传统电流控制模式需要通过设置电压和电流两个反馈环节来达到功率 因数校正和输出电压稳定的目的。在实际应用中需要检测输入电压整流后的值， 电感电流和输出电压三个量，通过将输入电压整流后的值通过乘法器与电压误 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 7 差放大器相乘的结果作为电感电流的给定值来保证输入电流和输入电压同相 位。具有电路结构复杂，成本高的确定。而单周期控制因不需要检测输入电压 整流后的值和取消了乘法器使用，控制电路相对简单。采用单周期控制除了具 有传统电流控制方式系统控制稳定性强，误差校正精确等优点外。还具有以下 优点：（1）它能在误差出现的一个周期内消除稳态和瞬态误差，具有稳态响应 速度快的优点；（2）抗输入电压扰动能力强；（3）因不需要检测输入电压信 号，减小了电压传感器的使用，降低了系统的成本；（4）控制电路相对简单， 不需要乘法器，实现较为容易；（5）输出的开关变量的平均值能动态的跟随控 制参考变化，具有动态响应速度快的优点。（6）相对滞环电流控制，其具有开 关频率恒定的特点方便后续进行滤波装置的设计。 1.2.3 车载逆变器控制策略研究现状 采用不同的电路拓扑结构，串接恰当的变换级数，应用合适的控制方式来 实现直流电能到交流电能的转换，输出满足要求的交流电能的装置即为逆变器。 逆变器按照不同的分类方式可分为： （1） 按照电路拓扑不同有桥式和非桥式电路，其中桥式电路又可分为半 桥电路和全桥电路。 （2） 按照控制方式有调频式（pfm）逆变器和调脉冲式（pwm）逆变器。 （3） 按照输出电能是否回馈电网有源逆变电路和 （4） 无源逆变电路。 （5） 按照直流侧滤波形式有电压源逆变器和电流源逆变器。 逆变器多采用脉冲调制技术（pwm）来控制电路，即通过限定开关周期和 更改导通比来实现对输出电压的控制。 其中 pwm 控制技术中脉冲的宽度按照正 弦规律变化而和正弦波等效的波形称为 spwm 控制。spwm 控制以调节输出电 压中基波电压值，提高输出电压最低次谐波的阶次并降低谐波次数，提高效率 而得到广泛应用。 spwm 控制根据控制信号极性的不同可分为单极性，双极性 spwm 调制两 种22。其中单极性 spwm 是指在一个载波周期内，逆变桥的输出电压只有 0 和 正电压或者 0 和负电压；双极性 spwm 则是在一个载波周期内，逆变桥输出电 压即有正电压又有负电压。当采用两个极性相反的正弦参考信号与双向三角载 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 8 波比较得到得驱动信号，使得逆变桥输出电压脉动为开关频率两倍的控制为倍 频单极性正弦脉宽调制。其中它们实现的原理波形图分别如图 1-4 所示。 与双极性 spwm 调制方式相比， 单极性 spwm 控制单相可逆桥式整流器因 存在两个低频管，使得损耗为双极性调制方式的一半。而单极性倍频 spwm 因 逆变器输出电压脉动频率提高了一倍使得谐波含量减小一半，输出滤波电感纹 波频率提高一倍。所以可采用相对较小的滤波器件来达到相同的滤波效果，有 效的降低了系统的体积和成本，提高系统性能。 0 pwm1,3 pwm2,4 uab t t t t 0 p w m3 p w m1 u a b t t t t t pwm4 pwm2 （a）双极性 spwm 调制原理波形 （b）单极性 spwm 调制原理波形 （c）单极性倍频 spwm 调制原理波形图 图 1-4 各种 spwm 调制原理波形图 1.4 本文研究内容 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 9 本文研究设计了应用于移动警用车上的设备6.5kw 车载充电逆变双向 变换器。针对能量双向流动和高效率高功率因数的要求进行了电路拓扑的设计 和充电放电控制策略的选择。主要研究工作包括以下四部分： （1） 系统总体方案设计 根据车载充电逆变双向变换器技术指标，提出了能量双向流动的两级功率 拓扑结构，前级采用单相可逆桥式整流器，后级选用双向双半桥变换器。通过 模型简化推导出采用移相加 pwm 控制来解决变压器原副边电压不匹配带来的 问题。为了实现电路的主要功能，采用常规的计算方法对主电路的参数进行设 计，包括变压器，升压电感，箝位电容设计和功率器件选型。 （2） 双向双半桥变换器建模及仿真分析 经过分析知双向双半桥变换器为一非线性系统。为了方便进行建模分析， 通过状态空间法搭建隔离型双向双半桥变换器的数学模型，在额定工作点对其 线性化，使系统解耦得到线性小信号模型。建立小信号模型的等效电路来推导 出控制系统的传递函数，分析开环传递函数对应的波特图，然后以此为基础来 设计控制器。最后通过仿真来验证所设计控制器的合理性。 （3） 充电逆变控制策略及仿真验证 分别在前级单相可逆桥式整流桥部分采用单周期控制和单极性 spwm 控制 完成充电时功率因数校正和逆变时输出纯正正弦信号的功能。分析了单周期控 制单相可逆桥式整流原理及稳定性，以此为基础进行了输入电感设计。阐述了 单极性 spwm 控制单相桥式可逆逆变器的原理，分别通过仿真来验证单周期控 制单相可逆桥式整流器和单极性 spwm 控制单相可逆桥式逆变器的可行性。 （4） 实验结果分析 根据技术指标，搭建了车载充电逆变双向变换器实验平台。通过在实验室 内的长期运行分别记录了充电和逆变模式下的实验数据，并加以分析。 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 10 第 2 章 车载充电逆变双向变换器总体方案设计 本章主要介绍车载充电逆变双向变换器的总体设计方案，主要包括主电路 拓扑结构的选择，双向控制策略的选择以及主电路元器件参数计算。 2.1 主要技术指标 本文设计的是一种应用在移动警务平台上的车载充电逆变双向变换器，具 有功率双向流动、高效率和高功率因数等特点。其主要技术指标参数如表 2-1 所 示： 表 2-1 主要技术指标参数表 输入电压 中间电压 输出电压 充电电流 输出功率 效率 充电 220ac 250285v 500650v 10a 6500w =85% 逆变 500650v =360 220ac 5000w =85% 2.2 两级功率拓扑结构及双向控制方案选择 车载充电逆变双向变换器的关键技术是能量双向流动和高功率因数。因而 在选择主电路拓扑结构时应考虑这两个技术要求。为了便于控制，本文提出一 种隔离型两级功率变换的拓扑结构，前级采用单相可逆桥式整流器，后级采用 双向双半桥变换器，其总体结构框图如图 2-1 所示，采用两级功率拓扑结构结构 旨在简化系统设计并提高变换器的效率。 电网 单相可逆桥式 整流器 双向双半桥 dcdc变换器 蓄电池 控制单元1控制单元2 电池管理 系bms 控制器 主电路 车载 设备 图 2-1 系统整体拓扑结构结构图 2.2.1 两级功率拓扑结构选择 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 11 为了减小充电时对电网侧谐波污染和逆变时为车载设备提供完美的正弦 波，在前级采用的单相可逆桥式整流器，其原理图如 2-2 下所示。 c k2 cr2 k4 cr4 k3 cr3 k1 cr1 ac vs vo l 图 2-2 单相可逆桥式整流器 单相可逆桥式整流器是一个双向拓扑结构，工作整流状态时，为一个 boost 电路，能量从电网流向中间直流侧；工作在逆变状态时，为一个 buck 电