（电力电子与电力传动专业论文）一种车载电源双向dcdc变换器的研究.pdf

r e s e a r c h0 1 1b i d i r e c t i o n a ld c ，d cc o n v e r t e r o ft hev e h i c l ep o w e r a b s t l a c t t h ep o w e rs o u r c ei sa l ie l e c t r i c i t ye q u i p m e n tp o w e r ，w i t h t h e d e v e l o p m e n t o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，i tn e e d sm o r ea n dm o r e b i d i r e c t i o n a ld cc o n v e r t e r se v e ry e a rg r a d u a l l y b i d i r e c t i o n a lc o n v e r t e r s a r eu s e dw i d e l yi nd cu n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs y s t e m s ，a v i a t i o np o w e r s y s t e m s ，e l e c t r i cv e h i c l ep o w e r ，d cp o w e ra m p l i f i e ra n db a t t e rs t o r a g e s y s t e m s p r i n c i p i e a n d a p p l i c a t i o n o fb i d i r e e t i o n a ld cc o n v e r t e ra r e i n t r o d u c e df r o mf u n d a m e n t a lb i d i r e c t i o n a l s w i t c he e l l ah o v e i b i d i r e c t i o n a ld cc o n v e r t e rt o p o l o g yw a sd e s i g n e d ，w h i c hw a su s e di n a r m yv e h i c l ep o w e rs u p p l ys y s t e m s u s i n gp h a s e - s h i f t e df u l l b r i d g ez v s p w mi nb u c kc i r c u i ta n du s i n gp u s h p u l lb o o s tc o n v e r t e ri nb o o s tc i r c u i t i nt h ed is s e r t a t i o n ，p r i n c i p l e so fp h a s e * s h i f t e df u l l - b r i d g ez v sp w m a n dp u s h p u l lb o o s tc o n v e r t e ra r ea n a l y z e d ；r e a s o no fd u t yr a t i od r o p p i n g o u ta n ds o l u t i o nm e a s u r e sa r ei n t r o d u e e da tt h es a m et i m e ；t h em a g n e t i c b i a s i n g a n dz v sm e t h o d so f l a g g i n g b r a e h i u m a r es t u d i e d d e t a i l e d l yi ut h eb i d i r e c t i o n a ld cc o n v e r t e r s a tt h eb a s i s0 fa n a l y s i s ， u s e dt h es a b e rs o f t w a r es i m u l a t i o ni nt h er e s e a r c hp r o c e s st oc a r r yo nt h e s i m u l a t i o nf o rt h i sp l a n ，h a sp r o v e nt h i st o p o l o g yf e a s i b i l i t y k e yw o r d s ：b i d i r e c t i o n a l d c d cs o f t - s w i t c hs i m u l a t i o n 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 插图清单 双向d c d c 变换功能框图 直流基本变换单元 含单向d c d c 直流变换器的直流不停电电源系统 含双向d c d c 直流变换器的直流不停电电源系统 双向d c d c 直流变换器结构的交流不停电系统( 在线式) 图i 6航天直流电源系统 图1 7双向d c d c 变换器直接驱动直流电机系统 图1 8低感抗直流电机驱动与再生制动系统 图1 9燃料电池电动汽车电力驱动系统 图1 10移动发电系统的结构框图 图l ，h 单向d c d c 基本变换器族 图1 12 双向d c d c 基本变换器族 图1 13b u c k b o os t 级联型双向d c d c 变换器 图1 14相移控制零电压开关桥式双向d c d c 变换器 图1 15电流馈桥式双向d c d c 变换器 图l ，i6z cs 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 17单周谐振双向d c d c 基本变换单元 图1 18 准方波零电压开关技术 图1 19 零电压转换双向d c d c 变换器 图1 2 0 零电流转换双向d c d c 变换器 图2 1双向d c d c 变换器的主电路拓扑 图2 2全桥d c d c 变换器结构简图 图2 3 全桥p w m 变换器基本工作波形 图2 4移相控制全桥z v s p w m 变换器电路原理图 图2 5 移相控制全桥电路的理想工作波形 图2 6( t o t 1 1 时的电流走向 图2 7f t l t 2 ) 时的电流走向图 图2 8f t 2 t 3 ) 时的电流走向图 图2 9 ( v 3 t 4 ) 时的电流走向图 图2 10( t 4 t5 ) 时的电流走向图 图2 1 1( t 5 t 6 1 时的电流走向图 图2 12推挽变换器原理图 图2 13推挽变换器功率管电压波形， _ “o o“o_矗一j加埔体”加加”丝鸵”舶 图2 14 推挽式d c d cb o o s t 变换器2 7 图2 15 推挽式d c d cb o o s t 变换器的电流波形2 7 图2 】6 磁芯特性示意图2 8 图2 ，17 磁通示意图2 8 图3 + 1 双向d c d c 变换器的主电路拓扑3 0 图3 2 升压变换时的主电路3 0 图3 3 降压变换时的主电路拓扑3 0 图3 4t p3 磁化曲线3 2 图4 1u c3875 内部结构框图3 9 图4 2 降压开关管的驱动电路4 4 图4 3t l 4 9 4 型脉宽调制器等效方框图4 5 图4 4t l 4 9 4 的脉宽调制控制原理各级工作波形图4 6 图4 5t l 4 9 4p w m 脉宽调制电路图4 7 图4 6t l p 25 0 的内部结构简图4 9 图4 7t l p 25 0 的驱动电路5 0 图4 8 升压开关管的驱动电路5 0 图4 9 电流检测电路5 1 图4 10 降压变换电压电流反馈电路5 2 图5 1 主电路的升压电路仿真图5 3 图5 2推挽管和升压管的驱动波形对比图5 4 图5 3两个两个推挽管和开关管的电压信号对比波形5 4 图5 4推挽管的驱动信号波形，电流波形，电压波形的对比图5 4 图5 5升压管的驱动信号波形和b o o s t 电感电流的信号波形5 5 图5 6升压管的驱动信号，电流波形，电压波形5 5 图5 7升压时变压器副边输出的电压波形5 5 图5 8降压时的电路仿真图5 6 图5 9m 2 和m 4 两个开关管的驱动信号波形5 6 图5 10开关管4 的驱动信号波形，电流波形，电压波形对比图 、5 6 图5 1 1开关管2 的驱动信号波形、电流波形、电压波形对比图 图5 12变压器原边的电压波形图 5 7 5 7 独创性声明 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。据我所知，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，也不包含为获得金罡王、业太堂或其 他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谢意。 学位论文作者签名：关刍惭 签字日期：。占年沙月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目墨兰些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关郭门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权金月巴工些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：装钏评 签字日期：口占年陟月扩日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 刷醛辄勘扒 签字日期：o 0 1 2 i 1l ，u 。2 + 寺c ：田+ i 1l ，。u ，2 = c j 研+ 去c f ，u ? ( i = l e a d ，l a g ) ( 2 1 ) z上上二 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；f 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导通的时间间隔必须要大 于电容的充放电时间。 对于超前臂来说，比较容易实现开关管的零电压开通。在超前臂开关管开 通时，谐振电感l r 是由变压器漏感和反射到原边的输出滤波电感l 1 2 l l 构成，由 于通常反射到原边的输出滤波电感n 2 l 1 很大，电感储能很容易使电容c 1 、c 2 完 成充放电转换，在超前臂开关过程中，其电流近似不变，类似于一个恒流源， 这样只要使超前桥臂的导通与关断信号的时间间隔： 。一半为负载 ( 2 2 ) 其零电压开通的条件就可得到满足。 而对于滞后臂而言，要实现开关管的零电压开通就比较困难了。在滞后臂 关断后形成的谐振回路中，由于变压器副边处于续流阶段，原副边短路，谐振 电感只为变压器漏感l r ，谐振时由变压器漏感释放能量，使开关管m 3 、m 4 的结电容( 或并联电容) 完成充放电的状态转换。当相应的电容电压谐振下降 2 3 u t 一 针 到零时，相成的开关管实现零电压开通。为了实现开关管的零电压开通，应该 滚是条终： 11 去，霹 去g ，四十u , 2 ( 2 3 ) 上 但是变聪器的漏感般较小，特剐是负载轻时，漏感中的能量不够c 3 、 c 4 完成兖羧毫转换，洚后饕裁不憝实臻零毫压开逶。嚣醣滋移锾全褥零宅压 p w m 变换器实现z v s 的关键在于滞后桥臂。实现滞后桥臂z v s 大致有以下几 种方法： 一、增热谐振电感k 增麓谮掇电感量，使滞后臂实瑗零电压薅煎谐振电感中鹩能量交大皋实瑷 柱一定范围内滞后桥臂的z v s 。已知个最小的负载电流，根据这个电流值， 忽略励磁电流，可得到1 2 的最小电流值，再利用2 2 式可以计算出所需的最小 滔振电感。稳这会镬副迭占空毙丢失貔涛琵更热严重。 二、采用辅助网络增强滞后桥臂实现z v s 的能力。 在滞后桥臂实现零电压开关的过程中，根据电流增强原瑕，由辅助网络和 谐振电感同时给开关管黝并联电容兖放电，在各季中工作状态下使之在开关管开 遽之蓊靛籀宠荠联予该舜关管蘸电容中懿链量。这样可敬躐小掰需数谐强瞧感， 因此可减小剐边占空比的丢失。这种改善的拓扑仍然采用z v s 控制方式。 三、采用饱和电感的办法 裁是将谐振电感改为绝霸电感。蠼想戆缒翻魄感，当其上邋过电流小予| e ( 1 c 称为辆爨饱和电流) 时，其电感整为一恒定值l s o ，储髓正院与逶避电流 的平方：当戴上通过电流大于i c 时，其电感量将为接近于零，储能维持慨定不 变。这样就可根据最小负载电流设计饱和电感的饱和电流和饱和电感值。而当 簇透毫滚扶一个方淘淘菇个方囱交佬舞，该锪秘电感只在奄流夺予i e 羧起露 用，其余部分电感为零，电流直线变化，因而可大大减小占窳比的丢失。 2 1 4 副边占空比丢失分析 在褶移控锻零邀匿p w m 变换爨中，由予交垂嚣爨瀑感静存凌，使褥缀速懿 电流在从正向( 或负向) 变化到负向( 或正向) 时，上升或下降都存在一定的斜率， 鼠然原边有正电压( 或负电压) 的方波，但原边不足以提供飙载电流，剐边的 二极管都导邋，负载处予续流阶段，其嚣端电压为零，这样副边就丢失了这一 貘靖闻静电歪方渡，遣郓占空跑丢失了，如图2 5 中所示部分。薅在这些露闺段 内，原边电流可看作是以斜率从u i l ，线性变化，艇斜率的值越大，这两个时间 段的间隔越小，占空比损失就越小。 掣 蠢墨2 。5 ，知( f 3 ) = 乏，芬( 凫) = 一乏，t 3 t 6 弱露瓣i r 7 疆为矗d ，簸可褥裂攒失 z 的占空比为： 2 4 a d 。等 - c 堙 ( 3 ，1 8 ) 其中h 是谐振电感，l 是滞屠臀开关管关断时原边电流的大小，c 避开关 管并联电容( 一般为集电极一发射热间电容) ，v i 。是输入直流电压。 选用附加电感时，v j 。应取最大德，并按在越蹬三分之一满载时实现零电压 开关设诗。毛，应渍是关系式： l , 1 2 = = 。e lr 。2 ( 3 1 9 ) 在三分之一满载时，潞后臂开必管关断时原边电流为： 墨；篁一8 0 。0 2 x 8 0 ，。量互。土_ 丝王。3 6 7 a( 3 2 0 ) f 1 8 1 m b 5 0 d * 0 6 0 的集电极一发射纂橱电容c ( 。= 6 5 0 p f ，) = 2 9 7 v ，则： 沾攀8。了650 x10-12 x 2 9 7 z 1 1 3 5 t d t ( 3 2 1 ) 3 1 3 3 6 7 2 在调试中，选用l = 1 2 p h 。 3 。s 羧塞滤波邀容酶诗舞 在输出的整流电压中，包含有高频纹波成分。选取滤波电容主要是为了满 足输出低纹波的要求。一般输出电愿纹波的蜂馕a 0 一， 粤 l 鸯汰 l| 1i ； 弱4 8 丹压野关管豹驱动奄鼯 图4 7 为由集电电路t l p 2 5 0 构成的驱动器。t l p 2 5 0 内鹭党祸的隔离魄压 可达2 5 0 0 v ，上升和下降时间均小于0 + 5us ，输出电流达o 5 a ，可直接驱动 5 0 a 1 2 0 0 v 以内豹i g b t 元件。外加推挽放大晶体管后，可以驱渤电流容量激大 瓣i g b t 元箨。在蚕4 。s 褥洪翡方式中，不毽要提镞一令歪i 5 v 黪电源，麓瓣 还需要提供一个负1 0 v 的电源。因此程实际运用采用如下的驱幼方式，如图4 8 所示。在该电路中，只需瓣提供一个正2 0 v 的直流电源就可以了。 4 4 邀滚梭灏魄赣 在该双向d c d c 变换升压电路，使用霍尔电流传感器来检测低压侧输出的 趣淡，嗣时该震尔元件又可以检测舟压变换时的赣入电流。但魑降压时豹输出 窀流方向帮舞压嶷换时输入龟流输入方岛正菇籀爱，困蘧霍尔元 睾捡嚣裂瓣逄 流浠经过一绝对值电路后才能够引入反馈电路以及保护电路中。其电路图如图 4 9 所示。图中j p i 为霍尔传感器的引出，在实验过程中选用的炫电压型霍尔传 感爨。 4 5 反馈电路的设计 醢4 9 瞧流检测电路 在该d c d c 交换嚣中，输窭露潞应与控割鼷爨隔离，瑟濒者不荚豫。对电 流信号因使用霍尔传感器，故已与主电路隔离。直流电压隔离反馈的方案一般 有两种：一种是采用隔离放大器，该方案具有比较精确的特点，但成本较高。 爱一秘方寨跫采爰竞糕疆离。毽采燧攀只光藕臻离，麦子存在热平簿、漂移班 及非线形问题，从而导数信