（电力电子与电力传动专业论文）数字相移控制的隔离buckboost型双向dcdc变换器研究.pdf

s t u d yo fi s o l a t e db u c k - - b o o s tb i d i r e c t i o n a l d c d cc o n v e r t e rw i t hd i g i t a lp h a s e - s h i f tc o n t r o lm e t h o d a b s t r a c t t h ei s o l a t e db u c k b o o s tb i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r sp r o m i s i n gf o rl o w v o l t a g ea n dh i g hc u r r e n to nt h el o wv o l t a g e ( l v ) s i d ea n dh i g hv o l t a g ec o n v e r s i o n r a t i oa p p l i c a t i o n s e n e r g ym a n a g e m e n ta n dc o n t r o lo fc o n v e r t e r sn e e dt ob e i m p l e m e n t e db yd i g i t a lp r o c e s s o r t h ei s o l a t e db u c k b o o s tc o n v e r t ：e r si n c l u d e i s o l a t e dc u r r e n t f e da n dv o l t a g e f e dc o n v e r t e rw h i c hc u r r e n t f e dc o n v e r t e ro nt h e l vs i d ea n dt h ev o l t a g e f e dc o n v e r t e ro nt h eh vs i d e a n di n c l u d eb o o s ti n t e g r a t e d v o l t a g e 。f e dc o n v e r t e rw h i c hb o o s ti n t e g r a t e dv o l t a g e f e dc o n v e r t e ro nt h el vs i d e a n dt h ev o l t a g e f e dc o n v e r t e ro nt h eh vs i d e t h ei s o l a t e dc u r r e n t f e da n dv o l t a g e f e dc o n v e r t e r i ti sw e l lk n o w nt h a ta n y c u r r e n t f e dt y p ec o n v e r t e rh a sn oc a p a b i l i t yt ol i m i tt h es w i t c hc u r r e n td u r i n g s t a r t u pb e f o r et h eo u t p u tb u sv o l t a g eh a sb e e ne s t a b l i s h e da n ds h a r pv o l t a g es p i k e a p p e a r sa td e v i c e sd u et ot h el e a k a g ei n d u c t a n c e an o v e lp h a s e s h i f tc o n t r o l s c h e m ef 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 di nt h i sp a p e r h i g hv o l t a g e s p i k ep r o b l e ma n ds t a r u pp r o b l e mw h i c ha r ei n h e r e n ti nc u r r e n t f e dc o n v e r t e r sa r e r e s o l v e d ，z e r o c u r r e n t s w i t c h i n g ( z c s ) i sa c h i e v e df o ra l lt h es w i t c h e sa t c u r r e n t f e ds i d e a n dz e r o v o l t a g e s w i t c h i n g ( z v s ) i sa l s oa c h i e v e da tv o l t a g e - f e d s i d e t h ec o n t r o ls c h e m eo fc o n v e r t e ri si m p l e m e n t e db ys i 8 2 5 0m c u t h e o p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dt h ee x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n sa r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h ei s o l a t e db o o s ti n t e g r a t e dv o l t a g e f e dc o n v e r t e r sp r o m i s i n gf o rm e d i u m a p p l i c a t i o n s i ta l s oc a nc o n s t r u c tam u l t i i n p u tc o n v e r t e r w h i c hc o m p o s e da s t a n d - a l o n ep h o t o v o l t a i cg e n e r a t i n gs y s t e mc o m b i n ew i t hp h o t o v o l t a i cc e l li nt h i s p a p e r an o v e ls t a n d a l o n ep h o t o v o l t a i cl i g h t i n gs y s t e mo fe l e c t r o d e l e s sl a m pi s p r o p o s e di n t h i sp a p e r c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ls t a n d a l o n ep h o t o v o l t a i c l i g h t i n gs y s t e m t h i ss y s t e mm e r e l yu s eo n em u l t i i n p u td c d cc o n v e r t e rc o n t r o l t h eb a t t e r yc h a r g eo rd i s c h a r g ee f f e c t i v e l y ，p r o t e c tb a t t e r ya n dp r o l o n gi t sn a t u r a l l i r e e n e r g ym a n a g e m e n ta n dd i g i t a lc o n t r o lo fc o n v e r t e ra r ei m p l e m e n t e db yo n e m c u t h es y s t e mi sa n a l y z e di nd e t a i l a n dt h ee x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n sa r ea l s o p r e s e n t e d k e y w o r d s ：b i d i r e c t i o n a l d c d c c o n v e r t e r ；d i g i t a lc o n t r o l ；m u l t i i n p u t c o n v e r t e r ；c u r r e n t - f e d ；s i 8 2 5 0 m c u 插图清单 图1 1 独立光伏发电系统结构图1 图1 2 燃料电池独立发电系统结构1 图1 3b u c k - - b o o s t 双向d c d c 变换器拓扑2 图1 4 基本拓扑单元3 图1 5 组合而成的隔离型双向d c d c 变换器拓扑4 图1 6 正反激组合式双向d c d c 变换器拓扑4 图1 7 级联型隔离双向d c d c 变换器结构4 图1 8 双向d c d c 变换器等效结构图5 图1 - 9 反激式双向d c d c 变换器拓扑和p w m 控制波形5 图1 1 0 相移控制原理波形6 图1 1 2 隔离电流一电压型全桥双向d c d c 变换器拓扑7 图1 1 3 隔离组合式一电压型多输入变换器拓扑8 图2 1 电流一电压型全桥拓扑1 0 图2 2 采用外加启动电路解决启动问题的拓扑图1l 图2 3 隔离电流一电压型拓扑正反向工作时的等效电路1 2 图2 4 两种相移控制的换流原理图1 3 图2 5 隔离电流一电压型半桥拓扑和正向工作模式控制方式1 4 图2 - 6 正向升压工作时换流状态图1 5 图2 7 反向工作模式控制方式1 7 图2 8 正向升压工作模式仿真波形1 9 图2 - 9 正向工作模式负载和输入电压阶跃时动态过程仿真波形2 0 图2 1 0 输出电压给定阶跃时单闭环和双闭环控制时的仿真波形2 1 图3 1d c d c 变换器模拟控制原理图2 3 图3 2d c d c 变换器数字控制原理图2 3 图3 3 数字控制极限环震荡2 5 图3 4 数字抖动原理图2 5 图3 - 5s i 8 2 5 0 控制器结构2 6 图3 - 6 隔离电流一电压型半桥变换器控制结构2 7 图3 7 电流电压采样电路原理图2 9 图3 8s i 8 2 5 0 硬件电路3 0 图3 - 9 实验波形3 2 图4 1b o o s t 组合式一电压型半桥拓扑3 4 图4 2b o o s t 组合式全桥拓扑3 4 图4 3b o o s t 组合式三相全桥多输入拓扑3 5 图4 4b o o s t 组合式单极性变换器拓扑3 5 图4 5 组合式一电压型双管正激双向d c d c 变换器3 6 图4 6 隔离多输入组合式一电压型独立光发电系统主电路拓扑及其控制3 7 图4 7 模式2 控制方式和主要原理波形3 8 图4 8 模式2 各换流状态等效电路图4 0 图4 9 模式1 和模式3 控制方式4 1 图4 1 0 输出功率与移相角巾和占空比d 的特性曲线4 2 图4 1 1 太阳能电池特性曲线4 3 图4 1 2 扰动观测法和电导增量法m p p t 原理及其算法4 4 图4 1 4 占空比与输出功率的关系和控制结构图4 6 图4 1 5 在三种模式下的仿真波形4 6 图4 1 6 在各种状态间转换和不同m p p t 方式下的仿真波形5 0 图5 1 独立光伏照明系统结构5 1 图5 2 无极灯独立光伏照明系统主电路图5 2 图5 3 独立光伏发电系统结构5 3 图5 4 充电状态等效电路与充电特性曲线5 3 图5 5 无极灯工作时的等效电路和主要波形5 4 图5 6 高频无极灯结构5 4 图5 7 无极灯镇流器主电路5 5 图5 - 8 与q p 和k 的特性曲线5 6 图5 - 9 开路保护电路5 7 图5 1 0 无极灯独立光伏照明系统实现控制结构图5 7 图5 11 高频无极灯照明系统实验波形5 9 图5 1 2 当p o = 0 时的控制多输入双向d c d c 变换器的方式5 9 图5 1 3 当p o 0 时的控制多输入双向d c d c 变换器的方式6 0 图5 1 4 多输入双向d c d c 变换器实验波形6 2 图6 1 倍流整流电路中磁芯元件的集成方式6 4 图6 2 采用所提出控制方式的全桥变换器6 4 图f 1 采用新颖相移控制的电流一电压型半桥实验平台7 l 图f - 2s i 8 2 5 0 单片机控制板7 1 图f - 3 多输入双向d c d c 变换器实验平台7 2 图f 4 高频无极灯独立光伏照明系统实验平台7 2 图f - 5 无极灯镇流器7 3 4 表格清单 表3 1 系统实验参数3 0 表4 1 系统工作状态3 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，也不包含为获得金肥工业太堂 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：j 织 签字日期： 刃年月妇 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥起王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部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。本人授权金照王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：确支 签字日期：- ，绰7 月1 m 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：多丧 签字日期：砂矿年，月才日 电话： 邮编 致谢 在近三年的硕士研究生学习过程中，自始至终得到了导师张兴教授无微不 至的关怀和悉心指导，张老师热衷于科研事业，治学严谨、淡薄名利，博学创 新，令我敬佩不已。在导师谆谆教导下，不仅让我学会了科研的方法，还学会了 很多做人的道理，使我终身受益。在此，谨向导师表示由衷的感谢和诚挚的敬 意。 感谢电气工程学院实验室主任岳胜老师和合肥阳光电源有限公司曹仁贤总 经理的无私帮助，为我们提供了较好的实验条件。同时还要感谢谢震博士、杨 淑英博士、汪令祥博士和杜少武教授对我的帮助和指导。 此外，还要感谢在同一课题组一起工作的同窗好友郭栋、苑春明、刘芳、 刘淳、魏冬冬、何继光、袁祖慧等同学的帮助，我们一起地度过了紧张、充实 而又难忘的科研生活。 感谢父母养育之恩，感谢女友和亲人的关心，让我顺利完成了学业，在此 向他们表达自己深深的敬意和真心的祝福! 作者：唐杰 2 0 0 8 年1 月 第一章绪论 1 1 双向d c d c 变换器应用场合 1 1 1 双向d c d c 变换器的概念 双向d c d c 变换器是指在保持变换器两端直流电压极性不变的情况下，能够根据 需要通过控制电路来调节能量传输的方向和大小，和传统的采用两套单向d c d c 交 换器来达到能量双向传输的方案相比，双向d c d c 变换器采用同一个变换器来控制能 量的双向传输，减小了系统的体积重量和成本并且可以更快地进行两个方向功率变换 的切换。双向d c d c 主要用于两端直流电压不匹配且需要能量双向流动的场合。 1 1 2 双向d c d c 变换器应用场合 在燃料电池和太阳能独立发电系统中，由于燃料电池和太阳能电池自身不 能存储能量并且响应速度较慢，因此需要辅助的蓄电池或超级电容储能单元通 过双向d c d c 变换器双向传输能量。双向d c d c 变换器在独立光伏发电，燃料 电池发电，电动汽车，航空电源等场合得到了广泛应用。 独立光伏发电系统结构如图1 - 1 所示，当阳光充足时太阳能电池阵列通过单向 d c d c 变换器保证对负载的正常供电，并将多余能量通过双d c d c 变换器储存到蓄电 池组中；当阳光不足太阳能电池阵列不足以提供负载所需的电能时，双向d c d c 变换 器反向工作，蓄电池和太阳能电池同时向负载提供能量，双向d c d c 变换器充当蓄电 池的充放电管理器。 吲豪曰 图1 - 1 独立光伏发电系统结构图图卜2 燃料电池独立发电系统结构 燃料电池系统主要有燃料电池独立发电和混合动力电动汽车【4 2 】 5 0 】，结构 如图1 2 所示，在燃料电池发电前通过双向d c d c 变换器升压提供启动所需的能量， 当燃料电池建立起输出电压后通过双向d c d c 变换起对蓄电池充电，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；为弥补燃料电池瞬时输出 功率有限的缺陷，蓄电池还通过双向d c d c 变换器提供瞬时能量，提高系统的动态性 能。 在这些应用场合，变换器一端接电压较低的蓄电池而另一端所接直流母线电压 较高，对双向d c d c 变换器有如下要求：变换器要具有较大的电流或电压比；要求低 压侧蓄电池具有较小的输出电流纹波；必须对电源进行能量管理。因此双向d c d c 变 换器采用隔离b u c k b o o s t 型拓扑较为合理，并且要对电源进行管理应当采用数字控 制。 1 2 隔离型双向d c d c 变换器研究现状 1 2 1 隔离型双向d c d c 变换器拓扑 1 双向d c d c 变换器拓扑 双向d c d c 变换器拓扑主要分为隔离型和非隔离型两类。b u c k 和b o o s t 变换 器是最基本的两种直流变换器，由这两种直流变换器可派生出b u c k - - b o o s t 、g u k 、 s e p l c 和z e t a 等四种直流变换，将这些单向直流变换器中的无源开关替换为有源开关 就可以构成非隔离的双向d c d c 变换器，b u c k - b o o s t 双向d c d c 变换器最具代表性非隔 离型双向d c d c 变换器，如图1 - 3 所示。 图卜3b u c k b o o s t 双向d c d c 变换器拓扑 然而在独立光伏发电，燃料电池发电，电动汽车等场合一般输入输出要求 有电气隔离并且输入输出电压比或电流比很大，所以非隔离型拓扑不能满足要 求，一般采用隔离型双向d c d c 变换器拓扑。隔离型双向d c d c 变换器拓扑按 隔离变压器的形式可分为单端式，推挽式，和桥式三种。 2 隔离型双向d c d c 变换器的构成 隔离型双向d c d c 变换器有三种构成方法：a ) 由电压型单元、电流型单元、 组合型单元拓扑组合而成。b ) 通过基本拓扑串并联构成。c ) 通过级联方式构 成。 a 由基本拓扑单元组合而成 基本的拓扑单元可分为电压型拓扑单元、电流型拓扑单元和与b o o s t 电路 集成组合的组合式拓扑单元。电压型半桥和电压型全桥拓扑单元如图1 - 4 ( a ) 所 示，电压型单元属于b u c k 型拓扑，适合由于降压场合；电流型拓扑属于b o o s t 型拓扑，图4 ( b ) 为电流型半桥和电流型全桥桥单元，同样还有推挽、正激 等其他电流和电压型拓扑单元。组合式拓扑是由两种拓扑组合而成，如图1 4 ( c ) 所示，分别为b o o s t 电路与电压型半桥组合而成的组合式半桥拓扑单元， 和b o o s t 与双管正激变换器组合而成的拓扑单元，全桥变换器等也可以通过类 似的方法组合，这类变换器也同样属于b o o s t 型拓扑。 桥式隔离型双向d c d c 拓扑由以上任意两个基本单元组合构成。如图1 5 所示，通过基本单元组合可以构成隔离电压一电压型拓扑、隔离电流一电压型 2 8 1 【1 2 】【5 3 卜 5 6 】、隔离组合式一电压型 4 2 - 5 0 1 等；也可以由多个单元构成多 输入拓扑结构 3 7 1 - 4 0 ，实现多个电源间的多个方向的能量传输。 ( a ) 电压型拓扑单元 + + ( b ) 电流型拓扑单元 啦脾q j a l b k r 碍c 乏 l s 2 _ f i l ( c ) 组合式拓扑单元 图卜4 基本拓扑单元 c 出 于l a 厂一 jl 7 b l r 逝b ：【 ( a ) 隔离电压一电压型拓扑 o ( b ) 隔离电流一电压型拓扑 ( c ) 隔离组合式一电压型拓扑 3 o 蛩蛩 ( c ) 多输入型拓扑 图1 - 5 组合而成的隔离型双向d c d c 变换器拓扑 b 通过基本的变换器串并联 双向d c d c 变换器拓扑还可以通过基本的变换器拓扑串并联而成，文献【2 】 提出了一种正反激组合式的双向d c d c 变换器如图1 6 所示，通过正激式和反激 式双向d c d c 变换器的变压器一侧绕组串联，另一侧绕组并联而成，综合了正激式和 反激式变换器两者的优点。 t 1 手 图卜6 正反激组合式双向d c d c 变换器拓扑 c 通过级联 5 9 】 直流变换器有输出稳压的d c d c 变换器和输出电压不调节的变换器即直流变压器 ( d c t ) 两种类型隔离型双向d c d c 变换器还可以由非隔离或隔离的双向d c d c 变换器 和隔离或非隔离直流变压器级联组成。如图1 7 所示，由不隔离的双向d c d c 和隔离 的输出电压不调节的直流变压器级联而成的隔离双向d c d c 变换器。 图1 - 7 级联型隔离双向d c d c 变换器结构 4 1 2 2 双向d 0 d ( 3 变换器控制方式 蝌+ 高频整流， 逆变 单元2 嘲 图卜8 双向d c d c 变换器等效结构图 1 p w m 控制 如图1 8 所示，采用p w m 控制方式，当双向d c d c 变换器升压工作时采 用p w m 方式控制单元1 ，单元2 工作在整流或同步整流模式；降压工作时p w m 方式控制单元2 ，单元1 工作在整流或同步整流模式，与传统的单相d c d c 变 换器控制方式类似。由于变压器两端都采用有源开关，因此还具有一些单向变 换器不具备的优点，还可以通过同时控制另一侧开关管实现软开关，反激式双 向d c d c 变换器及其正向工作模式下原理波形【1 】，如图1 - 9 所示，当q 1 关断 后d q 2 正偏导通，然后开通q 2 ，q 2 可以实现z v s 开通，副边电流瓦。减小到 零后q 2 继续导通则k 反向d q i 正偏导通，此时开通q 1 然后关断q 2 ，q l 也 可以实现z v s 开通。 i | 刀 1 - ，r r ii l入。 一 l i 、 l v 7 一、 l一p i 一 l ， l地 图卜9 反激式双向d c d c 变换器拓扑和p 删控制波形 2 相移控制： 文献 3 】【4 提出了相移控制，如图卜1 0 ( a ) 所示，在变压器两边的两个单元各产生 两个频率相同占空比为0 5 的对称方波电压源，通过控制两个方波电压源之间的相位 来控制漏感电流从而控制传输功率的大小和方向。漏感l f 是能量传输的重要元件，如 果方波电源v a b 的相位超前于方波电压源v c d ，则能量从直流源传输到直流源；反 之，如果方波电源的相位超前于则能量则从直流源v 传输到直流源v 衄，传输功率 与移相角的关系如图卜1 0 ( b ) 所示，可以通过控制移相角来控制传输功率的大小和反 向。 5 j ： 月占 广 巾 ul i 一 ： ，c ol 厂一 - 4 - -u ： k l _ i | f_ 、l 厂 立 哼|t ： , c o 柳 d曩2 矿 ( b ) 输出功率与移鞠角豹荚菘 l f ( a ) 期移控露缀理踱孵( c ) 糯移挖捌琢理翻 图1 - 1 0 相移控制原理波形 3 p w m 加相移控制【5 】 由于相移控制当输入输出电压幅值不匹配时，变换器的电流应力和有效值会大大 增加，其效率会受到输入电压和输出电压变化的影响，文 5 提出了p 硼加移相复合控 制双向d c i d c 变换器，如图i - il 所示，通过占空比的p 删控制相当于在等效输入电压 和等效输出电压之间加入了一个电子变压器，使v 肥和幅值始终匹配，并通过移相 角的控制来调节传输功率大小和方向。 it l n d 1 圪 il _ 西 一d 一匕 i 1 一 i 一d ； 厂一 ! 厂_ 、一 i 7 1 幼 _ 一 i - 图卜1 1p 删+ 相移控制原理波形 4 控制的实现方法 电源控制一般通过数字控制和传统的模拟控制实现或两者相结合，在电动 汽车、独立光伏发电等应用场合必须对电源进行管理，因此模拟控制很难满足 要求一般采用数字控制。数字可以控制通过m c u 、d s p 、f p g a 或d s p + f p g a 实现，很多公司也都推出了电源数控解决方案如：t i 公司推出了u c d 7 k 8 k 9 k 数字电压控制器；f r e e s c a l e 公司推出了5 6 f 8 0 1 3 4 ，s i l i c o nl a b o r a t o r i e s 推出了 s i 8 2 5 0 ，其中数字控制器s i 8 2 5 0 ，控制器由5 0 m i p s8 0 5 1c p u 为内核的系统管 理处理器以及控制环路处理器两个部分组成，控制环路处理器可以独立工作实 6 现对开关电源的控制，并能通过系统管理处理器实现对电源的管理。 1 2 3 隔离b u c k b o o s t 型双向d c d c 变换器 在隔离型双向d c d c 变换器中，单端式( 如对称反激式) 和推挽式隔离 双向d c d c 变换器结构简单、成本低适合用于小功率场合，属于b u c k b u c k 型拓扑。 在燃料电池发电，电动汽车，航空电源、储能等场合都需要大功率的双向 d c d c 变换器其功率和电流或电压比一般都比较大，而桥式隔离双向d c d c 变 换器适用于大功率场合，所以桥式隔离型双向d c d c 变换器倍受青睐。 在桥式隔离型双向d c d c 拓扑中，电压一电压型拓扑研究最为成熟应用最 为广泛，但它属于b u c k - - b u c k 型拓扑，存在以下不足：1 、属于降压型拓扑只 能通过变压器升压，变压器变比较大。2 、虽然能实现软开关，但开关管电流应 力较大，通态损耗较高。3 、变换器输入电流断续，所需滤波器件的容量和体积 较大，不适合用于蓄电池或燃料电池供电的场合。 电流一电压型拓扑属于b u c k - - b o o s t 拓扑具有较好的升降压特性，低压侧有 电感存在具有较小的电流纹波。但是这种拓扑存在启动时电感电流不受控和换 流时的电压尖锋问题，通常采用的解决办法 17 18 如图1 1 2 所示，通过由一个 开关管和电容组成的有源钳位电路可以实现双向软开关和吸收换流时由于漏感 引起的电压尖锋；此外还要在电感上外加反激式绕组，启动时工作在反激式状 态为高压侧电容建立初始电压。这样使得变换器控制和结构复杂，限制了隔离 电流一电压变换器的应用，因此需要进一步研究简便有效的解决启动和电压尖 锋问题的办法。 图卜1 2 隔离电流一电压型全桥双向d c d c 变换器拓扑 组合式一电压型拓扑也属于b u c k b o o s t 型拓扑，它相当于b o o s t 变换器与电 压一电压型半桥级联集成。具有电流源型的性质，也不存在启动和换流时的电 压尖锋问题，低压侧电流纹波较小、升降压特性好、拓扑结构简洁，具有较好 的实用价值。这种拓扑还可以构成多输入拓扑 4 5 】，如图l - 1 3 所示，可以实现 v 1 ，v 2 和负载之间的能量传输。 7 v s 1 仁忍c i 皇s 3 仁佴c 3 ：= v b - - - 盯l f 2 _ - _ o -j j ) 厂 j - 、二- ，r y 扎 t rc c 5 = = 育 十 l 厂 d l 盯 b v 2 ：旨c 0 忍c 2 弭c 毛 - l b a t - _ _ _ 一 驱2 = 跳 山 - l 图卜1 3 隔离组合式一电压型多输入变换器拓扑 由以上分析可以看b u c k 型隔离全桥变换器适合由于降压场合，b o o s t 型桥式隔 离变换器适合由于升压场合。电压一电压型双向d c d c 变换器在正向升压工作模式和 反向降压工作模式都为b u c k 型变换器，因此不适合用于大变比升将压的场合；而隔离 电流一电压型和组合式一电压型变换器正向升压工作时为b o o s t 型变换器，反相降压 时为b u c k 型变换器，是b u c k - - b o o s t 型变换器适合由于升降压工作场合。 1 3 本文研究的意义和主要工作 1 3 1 本文研究的意义 隔离的电压一电压型拓扑研究比较成熟应用广泛，但是它属于b u c k b u c k 型拓扑不适合用在大变比升降压和要求纹波电流较小场合( 如蓄电池或燃料电 池供电) 。本文对隔离b u c k - - b o o s t 型变换器进行了研究。隔离的b u c k - - b o o s t 型变换器包含“电流一电压型 和：“组合式一电压型”两类。而“电流一电压 型”拓扑存在固有的启动问题和换流时的电压尖锋问题，这两个问题还未得到 很好的解决，所以如何简便有效的解决电流型拓扑的固有问题也具有重要意义。 本文针对这两个问题提出了一种相移控制方法，对其进行了分析、仿真与实验 研究。 “组合式一电压型 拓扑同样也属于b u c k b o o s t 型拓扑，相当与b o o s t 与 电压一电压型拓扑的集成，不存在启动和电压尖锋问题，并且具有较好的升压 特性和较小的输入电流纹波，具有较好的实用价值。这种拓扑还可以构成多输 入的变换器，本文将这种变换器结合独立光伏发电系统进行了研究，提出了一 种新颖的独立光伏发电系统，通过一个多输入变换器实现太阳能电池、蓄电池 与负载之间能量的多个方向流动。 数字控制是变换器发展的趋势之一。数控电源体积小、可以高度集成和采 用先进的非线性控制算法，并且能与其他设备通讯对电源进行管理，而很多数 字控制方案受控制器性能和成本的制约。本文采用了混合信号数字控制器 s i 8 2 5 0 ，控制器由5 0 m i p s8 0 5 1c p u 为内核的系统管理处理器以及控制环路处 理器两个部分组成，控制环路处理器可以独立工作实现对开关电源的控制，并 能通过系统管理处理器实现对电源的管理。本文采用s i 8 2 5 0 对双向o c d c 变换 器进行了实验研究。 1 3 2 本文的主要工作 本文采用s i 8 2 5 0 数字控制针对”电流一电压型”和”组合式一电压型”两类隔 离b u c k - - b o o s t 型双向d c d c 变换器做了研究，主要工作如下： 第一章对双向d c d c 变换器的应用场合、拓扑与控制方式做了概述。并分 析了“电流一电压型和“组合式一电压型 两种b u c k - - b o o s t 型变换器的应用 价值和存在的问题。 第二章首先对“电流一电压型 拓扑存在的启动和换流时的电压尖锋问 题和现有解决方案进行了总结分析。本章提出了一种新颖的相移控方方法，结 合隔离“电流一电压型 半桥变换器做了详细的换流和理论分析，最后对这种 控制方法进行了仿真验证，通过这种控制方法能够简便有效的解决隔离“电流 一电压型 拓扑存在的启动和电压尖锋问题。 第三章首先对d c d c 交换器的数字控制和数控电源专用控制器s i 8 2 5 0 做了简要介绍，然后采用这种控制器对上一章所提出的控制方法进行了实验验 证。 第四章首先对“组合式一电压型”拓扑做了总结，这种变换器还可以构 成多输入的拓扑。本章将隔离“组合式一电压型”半桥变换器用于独立光伏发 电系统组成了多输入变换器，通过一个变换器实现了太阳能电池、蓄电池和负 载之间多方向的能量流动和太阳能电池的最大功率点跟踪。然后对变换器进行 了换流和理论分析。最后对变换器进行了仿真研究。 第五章对隔离“组合式一电压型 半桥拓扑构成的多输入独立光伏发电 系统做了实验研究，并将其用于无极灯独立光伏照明系统和光伏电动汽车系统， 对多输入变换器和无极灯镇流器进行分析与设计，并采用s i 8 2 5 0 控制器做了样 机对系统进行了实验研究。 第六章对全文进行了归纳总结，并对下一步工作进行了展望。 9 第二章隔离电流一电压型双向d c d c 变换器 隔离电流一电压型拓扑存在启动问题和换流时的电压尖锋问题。本章提出 了一种新颖的相移控制方式用于电流一电压型双向d c d c ；通过控制占空比来 改变移角从而控制电流和功率，不存在启动问题；每次在电流型一侧开关管关 断前漏感电流已被预充电到与电感电流相等消除了电压尖峰。无需外加辅助开 关器件，解决了电流一电压型双向d c d c 拓扑固有的起动问题和电压尖峰问题； 低压侧实现了z c s ，高压侧实现了z v s 。本章将所提出的控制方式结合电流一电 压型半桥变换器进行了详细换流分析与设计，并在第3 章通过s i 8 2 5 0m c u 实现 了所提出的控制方式，进行了实验验证。 2 1 电流一电压型拓扑启存在的问题及现有解决方案 2 1 1 隔离电流型拓扑的启动问题 1 启动问题产生的原因 隔离的电流一电压型全桥变换器拓扑如图2 1 所示。在变换器正向升压工作模式 的起动期间，当开关管开通时，电感两端电感电流线性上升，其两端电压为正；当开 关管关断时，输入电压和输出电压折算到变压器原边的值共同作用在电感两端，因为 输出滤波电容初始值为零，所以电感两端电压仍然保持为正，电感电流继续线性上升， 导致电感磁芯饱和。启动问题实质上是启动时电流型一侧电感电流不受控。 图2 1 电流一电压型全桥拓扑 2 启动问题的解决方法 解决启动问题可以采取两种措施：a ) 采用启动电路，在隔离电流一电压型变换 器运行在b o o s t 模式之前建立起初始输出电压。b ) 通过控制，采用合理的控制手段， 使变换器初始输出电压不低于输入电压折算到副边的值，以提供必要的电感铁芯去 磁，从而有效地抑制起动过冲电流。但是电流型一侧开关管占空比必须大于0 5 ，所 以不能通过控制占空比来解决启动问题。 a 文献 9 1 7 1 8 采用反激式变压器做升压电感来解决启动问题，如图2 2 ( b ) 所示，启动时因为有反激线圈，起动时变换器可以工作在b u c k 模式或者f l y b a c k 模式建立初始输出电压，从而有效地抑制了起动过冲电流。 l o b 文献 2 8 2 9 采用输入端加辅助变压器也能解决启动问题。如图2 2 ( a ) 所示，输入端加镜像电流源变压器后，使流入两电感的电流相等，只有在s 1 、 s 2 都导通时电感才存储能量，启动时使s 1 、s 2 的占空比d = o 5 就能控制电感 电流。 v 一 ( a ) 采用辅助变压器启动的拓扑 ( b ) 采用反激式绕组启动的拓扑结构 图2 2 采用外加启动电路解决启动问题的拓扑图 2 1 2 隔离电流型拓扑的电压尖锋问题和软开关技术 1 电压尖锋产生的原因 2 ： 开关管电压尖峰问题是隔离电流型变换器难以解决的问题，由于漏感存在，开关 管关断时电感电流和变压器漏感电流不匹配，电感能量不能瞬时流入变压器原边， 因为没有释放回路，电感电流和电路寄生电容谐振在开关管两端产生了电压尖峰。 图2 - 3 分别为电流一电压型双向d c d c 变换器在正向b o o s t i 作状态和反向b u c k 工 作状态的简化模型，漏电感l f 是引起开关管电压尖峰的主要因素，图中为升压电感 电流，在开关管s v 关断瞬间，可以假设为恒流源。c r 为开关管s c 的等效并联结电容， l f 为变压器等效漏电感，v o 为输出电压开关瞬间设为恒压源。 在b o o s t i 作状态，s c 关断后，由于电感l f 中的电流不能突变，在l f 中的电流达到 输入电感电流之前，一方面电流“一f ，) 给s c 的等效并联电容c v 充电，形成电压尖峰； 另一方面，漏感中的电流以( 。一圪) l ，的斜率增大，直到等于矗。可见，隔离型 b o o s t 变换器的电压尖峰是基于电流源对电容充电的机理，是有源的、能量大、难以 抑制。双向d c d c 变换器在b u e k i 作状态s v 关断后，由于l f 中的电流不能突变，l f 和 s v 的等效并联电容振荡产生电压尖峰，此振荡为无源振荡，振荡能量有限，产生的电 压尖峰是易于吸收的。 r or | l fs v ”= 十叫卜j + l i l f i c r 九 rl 图2 - 3 隔离电流一电压型拓扑正反向工作时的等效电路 2 解决办法： 为解决电压尖峰问题，需要从以下几个方面入手： a 减小变压器漏感l f ，变压器的绕制通常采用三明治结构或采用扁平变压器技术 等。这是从本质上解决问题，但漏电感不可能被减小到0 ；并且漏电感减小到一定程 度将引起严重的反向恢复问题。同时，采用上述结构绕制的变压器，其等效分布电容 大大增加，电磁干扰问题严重。 b 旁路电感l 中的能量，增加抑制开关管关断电压尖峰的箝位电路，在开关管关断 时，提供给电感电流释放回路。常用的抑制开关管电压尖峰方法包括r c d 箝位和有源 箝位两种方法。采用r c d 箝位电路难以抑制，文献 9 1 0 1 7 采用有源箝位的方法， 获得了开关管的z v z c s ，但有源钳位电路由一个开关管和一个电容组成，但开关 管的开关频率是变换器开关频率的两倍、实现困难，并且大量的高频箝位电容增 加了体积重量和环流能量。 c 文献 8 通过控制电压型一侧开关管预先对漏感充电( a c t i v e c o m m u t a t i o n ) 也能抑制电压尖峰，但充电时间必须通过反馈控制结构复杂；文 献 2 7 采用了l c 谐振软开关来解决电压尖峰问题，但l c 谐振软开关不易实现； 文 1 0 采用了软换流( s o f t - c o m m u t a t i n g ) 可以消除电压尖锋：但两者都仍然存 在启动问题。 在电流一电压型双向d c d c 变换器中必须解决启动问题和电压尖锋问题的 两种措施并用使得其结构和控制复杂，所以电流一电压型拓扑的两个问题还没 有得到简便有效的解决。本文提出了一种新颖的相移控制方式用于电流一电压 型双向d c d c 变换器，即能解决启动问题又能消除电压尖峰。 2 2 一种新颖相移控制的电流一电压型双向d c d c 变换器 2 2 1 一种新颖相移控制方式的提出 双向d c d c 变换器在电动汽车，燃料电池发电，光伏发电，航空电源等场 合得到了广泛应用。隔离型双向d c d c 变换器拓扑主要采用两端电压型和电流 1 2 一电压型两类。低压侧采用电压型拓扑时电流纹波较大，由于电压型拓扑属于 降压型拓扑，因此只能通过变压器升压，高频变压器变比较大；采用电流型拓 扑时电流纹波较小可以减小滤波电容的体积，并且电流型拓扑属