（电力电子与电力传动专业论文）双向dcdc变换器的研究.pdf

翌塑里里：望曼銮垫墨盟婴塑 a b s t r a c t b i d i r e c t i o n a ld c - d cc o n v e r t e r ( h e r e i n a f t e r , “b d c ”) i st h et w o q u a d r a n to p e r a t i n gd c d c c o n v e r t e r t h ep o w e rc a r lf l o w si ne i t h e rd i r e c t i o n d e p e n d i n go nt h e 】o c a t i o no ft h ed cs o u r c ea n dt h el o a dt h e b d cc a np e r f o r mt w oo rm o r ef u n c t i o n s s oi tj so n eo ft h eu s e f u jm e t h o d st or e d u c et h es i z e ，t h e w e i g h ta n dt h ec o s to ft h ep o w e rs y s t e m t h r e et y p e sb o c i s p r o p o s e di nt h ed i s s e r t a t i o n ，a n dt h e r e l a t e dp r o b l e m sa r er e s e a r c h e d l p u s h - p u l lf o r w a r d p h a s e s h i f t e d b i - d i r e c t i o n a ld c - d cc o n v e r t e r t h ep a p e rp r o p o s e dt h ep h a s es h i f t e db d cb a s e do nt h ec e l lo ft h ep u s h p u l l - f o r w a r dc o n v e r t e r t h e r e s e a r c hw o r kc o v e r sf o u ra s p e c t s nt h ef r e e w h e e l i n gc u r r e n to ft h ep u s h - p u l lf o r w a r dc o n v e r t e ri s d e t a i l e df r o mt h ep o i n to fe n e r g yc o n v e r s i o n ，t h ea n a l y t i c a le x p r e s s i o n so ft h ei n p u tc u r r e n ta n dt h e v a l u eo f c l a m p e dc a p a c i t o ra r eg i v e n i i ) t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo f t h ep u s h - p u l lf o r w a r dc o n v e r t e ri s a n a l y z e d ，w h i c hh a st h ea d v a n t a g e so fl o w e rc u r r e n tr i p p l eo fo u t p u ti n d u c t o r , t h er e a l i z i n go f z v s d u r i n gt h ed u t yr a t i oo f o 5t o1 i ma s e p a r a t e dc h a r g i n ga n dt h ed i s c h a r g i n gc h a n n e l sz c t s c h e m ei s p r o p o s e d w h i c hr e d u c e sd r a m a t i c a l l yt h e c u r r e n ts 仃e s si nt h em a i ns w i t c h e s i v ) t h ep h a s es h i f t e db d c b a s e do nt i l ec e l lo ft h ep u s h - p u l l f o r w a r dc o n v e r e ri sp r o p o s e d ，t h es i m p l et o p o l o g i e sm a k ei ts u i t a b l e i nm e d i u m p o w e r b d c 1 1 t w o - s t a g e b i - d i r e c t i u n a ld c - d cc o n v e r t e r t h en o n i s o l a t e db d ca n dt h e “d ct r a n s f o t r u e r c o n n e c t i n gi nc a s c a d ef o r m st h et w o s t a g eb d c t h e r e s e a r c hw o r kc o v e r sf o u ra s p e c t s i ) t h es t a t e s p a c e a v e r a g em o d e li s d i f f e r e n ti ne i t h e r p o w e r d i r e c t i o no f b d c t h ec o n t r o l l e dm o d e lo f b d ca n dt h es i n g l ev o l t a g el o o pp i dc o n t r o l l e ri sp r o p o s e d mt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h e “d ct r a n s f o r m e r ”w i t hp u s h p u l lf o r w a r dc e l li sp r o p o s e d ，i th a st h e a d v a n t a g e so f w i d ef r e q u e n c yb a n d ，h i g hp o w e rd e n s i t y i i i ) t h et w o - s t a g e b d cw i t hn o n i s o l a t e db d c a n dd ct r a n s f o r m e ri sp r o p o s e d t h et w o s t a g eb d c h a st h ea d v a n t a g e so f z v s s w i t c h i n g ，h i g hp o w e r d e t l s i t y , c o n v e n i e n t t oo p t i m u md e s i g t ta n dc o n v e r d e n t 把m o d u l a r i z e t h et w o - s t a g eb d ci st h eg o o d c a n d i d a t ei nt h es i t u a t i o no fl a r g ev o l t a g ec o n v e nr a t i o i v ) t h ec o n c e p to f t h e “d ct r a n s f o r m e r c a nb e a p p l i e di nt h es i t u a t i o n o fh i g hf r e q u e n c yl i n k e da c - a ct r a n s f o r m e r t h r e es t r u c t u r e so fa c - - a c t r a n s f o r m e ra r eg i v e n ，w h i c hr e d u c et h ev o l u m ea n dt h ew e i g h to f t h ep o w e r s y s t e m ，a r es u i t a b l ef o ra l l s h a p e dl o wf r e q u e n c yi n p u tv o l t a g ea n d a l lt y p u so fl o a d i l lf o r w a r d - f l y b a c kh y b r mb i - d i r e c t i o i t a ld c - d cc o n v e r t e r t h ef o r w a r d - f l y b a c kh y b r i db i - d i r e c t i o n a lc o n v e r t e ri s c o m p o s e do ft h ef o r w a r dc o n v e r t e ra n dt h e f l y b a c kc o n v e r t e r ；t h ew i n d i n g so f t h ef o r w a r da n dt h ef l y b a c kc o n v e r t e ra r ei ns e r i e so no n es i d ea n d p a r a l l e lo f tt h eo t h e r t h ec o u p l e di u d u c t o ra n dt h ef o r w a r dt r a n s f o r m e rp a n s f e rt h e w a rt o g e t h e ri n w h i c h ，t h ec o u p l e di n d u c t o ri nf l y b a c kb d c ，a n dt h el e a k a g ei n d u c t a n c ei np h a s es h i f l e db d cv i c e v e r s et h e p r o p o s e db d c h a sn oh i g hv o l t a g es p i k ep r o b l e m ，w h i c hi si n h e r e n ti ni s o l a t e db u c k b o o s t b d c s i ti se a s yt or e a l i z es o f ts w i t c h i n gb yp r o p e rc o n t r o la n dd e s i g n t h eb u i l t - i nf l y b a c kc o n v e g e r a c t sa st h et i l t e ri n d u c t o r , s ot h ec u r r e n tr i p p l ei ss m a l l f u r t h e rm o r e ，t h eh y b r i ds t r u c t u r em a k e si t s u i t a b l ef o r h i g hp o w e rs i t u a t i o n t h ep a p e rd e t a i l e d t h e s t e a d y s t a t e o p e r a t i o np r i n c i p l e s t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f yt h ea n a l y s i s b a s e do nt h ep r i n c i p l e so ft h ea c t i v ec l a m pf o r w a r d - f l y b a c k b d c ，af a m i l yo fb d c si sp r o p o s e d k e yw o r d s ：b i - d i r e c t i o n a l ，p u s h p u l lf o r w a r d ，s o f t - s w i t c h i n g ，c o n t r o l l e dm o d e l ，h i g hf r e q u e n c y t r a n s f o r m e r , t w o - s t a g e ，f o r w a r d - f l y b a c l 【，c o n v e r t e r 承诺书 本人声明所莹交的博十学忙论文是本人在导师指导下进行的研究：r + 作及取得的研究成果。 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， 也不包含为获得南京航空航犬人学或其他教育机构的学何或证书而使明过的材料。 本人授权南京航空航天大学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，耳j 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承诺书) 作者签名： 位方 日期：2 0 0 4 年6 月 南京航空航天人学博士学何论文 第一章绪论 摘要：双向d c d c 变换器( b i - d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r ，b d c ) 是d c d c 变换器的 烈象限运行，足典型的“一机两用”设备。本章介绍了b d c 的概念、应用背景，分析了b d c 的研究现状，指出目前b d c 研究存在的问题。最后介绍了本文的意义和主要研究内容。 1 1 双向d c d c 变换器概念和应用 1 1 1 双向d c d c 变换器的概念 所谓双向d c d c 变换器就是d c d c 变换器的双象限运行，它的输入、输出电 压极性不变，但输入、输出电流的方向可以改变。变换器的输出状态可在v 。- l 。平面 的一、二：象限内变化。变换器的输入、输出端口调换仍可完成电压变换功能，功率不 仅可以从输入端流向输出端，也能从输出端流向输入端。图1 1 为b d c 的二端口示 意图。从各种基本的变换器拓扑来看，用双向开关代替单向开关，就可以实现能量的 双向流动。 功率流反向 ( l o ) 功率流正向 ( ，t o ) 控制信号 图i ib d c 的二端口和两象限运行示意图 双向d c d c 变换器实现了能量的双向传输，在功能上相当于两个单向d c d c 变换器是典型的“机两用”设备。在需要双向能量流动的应用场合可以大幅度减 轻系统的体积重量及成本，有重要研究价值。 1 1 2 双向d c d c 变换器的应用 在一个系统中的直流电源( 或直流源性负载) 间需要双向能量流动的场合都需要 双向d c - d c 变换器。因此直流电机驱动系统、不停电电源系统、航空航天电源系统、 太阳能( 风能) 发电系统、能量储存系统( 如超导储能) 、电动汽车系统等系统中都 有其适用场合。下面列举几个预研的或已应用的实例，以使b d c 的概念更清晰。 1 1 2 1 燃料电池电源管理系统 燃料电池是将化学能直接转换为电能的装置，它已在“双子星座”、“阿波罗，飞 船及航天飞机等航天器中作为原生能源应用，在电动汽车中也有很好的应用前景【1 1 。 b d c 是此电源管理系统中的重要组成部分之一，图1 2 为电动汽车燃料电池电源管 1 。 双向d c d c 变换器的研究 理系统框图1 2 。j 。 在燃料电池系统中，有一个压缩机电机，在燃料电池电压建立以前，需要由蓄电 池提供压缩机电机的驱动能量，给燃料电池创造启动条件。在正常运行后，该压缩机 电机的能量可由燃料电池提供，同时燃料电池给蓄电池充电；而系统中由逆变器带动 的驱动电机的制动能量要得到合理的利用，通常使其回馈到蓄电池中去。b d c 可以 满足这几方面的需要。 燃 料 电 池 图1 - 2 燃料电池电源管理系统 美国福特汽车公司提出的概念样机是一个分时双向稳压的b d c ，放电模式时输 出电压为2 8 8 v ；充电模式时电池电压具有温度补偿和限流等措施。其规格为【2 】： ( 1 ) 具有电气隔离和能量双向流动能力，双向额定功率都为1 6 k w ： ( 2 ) 蓄电池供电时，输入电压在8 1 6 v 之删波动( 额定1 2 v ) 高能蓄电池并联 在低压侧提供起动、照明、点火等能量： ( 3 ) 蓄电池最大放电功率1 6 k w ； ( 4 ) 在制动时，蓄电池最大充电能量为5 k w ，持续时问不大于2 0 s ，两次制动 间隔大于1 分钟； ( 5 ) 水冷或油冷，温度低于5 5 摄氏度； ( 6 ) 高压侧母线储能电容容量小于2 0 0 0 u f ； ( 7 ) 放电模式结束2 秒后可以进入充电模式； ( 8 ) 蓄电池电压由蓄电池温度补偿环节调节确定： ( 9 ) 带载启动时间( 输出电压高于2 5 5 v ) 小于2 0 0 m s ； ( 1 0 ) 满足相关的e m i 标准。 1 1 2 2 太阳能电池阵系统 大部分地球轨道航天器应用太阳能电源系统。任何利用太阳能电源的航天器，都 需要一个能量存储系统，如飞轮、燃料电池、蓄电池组等。它们和太阳能电池阵有机 的组合在起，构成组合供电系统【“。这里以太阳能电池阵一蓄电池组合供电系统为例 说明b d c 的应用f 6 - 1 1 1 。 在太阳能电池的l 矿曲线上，以最大功率点为分界，可以分为电压源区域和电流 源区域，通常，我们通过合理的设计使其工作在偏向电流源区域的最大功率点。太阳 。2 南京航空航天大学博士学位论文 电池的 y 曲线受温度、同照强度等影响。因此需要系统能吸收太阳能电池的峰值功 率，同时在太阳能电池能量不足时协助提供负载能量。太阳能电池阵一蓄电池组合供 电系统主要有峰值功率跟踪系统与直接能量传送系统两类陋1 。图1 3 为其原理简图。 一疆爵 ( a ) 峰值功率删踪系统( b ) 直接能量传送系统 幽1 3 太刚光电电源系统 1 ) 峰值功率跟踪系统( 图l 一3 ( a ) ) 当航天器所需的功率低于太阳电池阵最大功率时，太阳能电池阵工作点朝向开 路电压端移动，偏离峰值功率点，使输出功率较小，等于航天器所需负载功率和蓄 电池充电功率的和。当航天器所需的功率达到或超过峰值功率时，太阳能电池阵的 工作点跟踪峰值功率点，不足部分由蓄电池通过双向d c d c 变换器补充。 2 ) 直接能量传送系统( 图1 3 ( b ) ) 在同照区，太阳能直接传送给航天器负载并通过双向d c d c 变换器给蓄电池 充电，并把多余的能量通过分流调节器耗散掉。在同影区，蓄电池通过双向d c d c 变换器给航天器负载提供能量。 无论哪种结构，b d c 都起到集蓄电池充电器和蓄电池放电变换器于一体的作用， 减小了系统的体积重量。就母线电压来说，这种变换器可以分为不调节、准调节、全 调节三种。在n a s a 的某地球观测卫星( e a r t ho b s e r v a t i o ns a t e l l i t e ，e o s ) 上的某个 直接能量传送型太阳能电池阵蓄电池组合供电系统中的b d c 规格为【7 i ： ( 1 ) 蓄电池电压6 4 - 8 4 v ： ( 2 ) 母线电压1 2 0 v 0 2 v ： ( 3 ) 蓄电池放电功率1 8 0 0 w ； ( 4 ) 蓄电池充电电流o - 2 3 a ：电流纹波 o 2 5 a ； ( 5 ) 母线侧输出阻抗1 0 0 k h z 时不大于0 1 5 欧姆。 这是一个单端( 母线侧) 稳压系统，电池侧采用限流充电的模式。 1 1 2 3 电动汽车电源管理系统 1 ) 4 2 v - 1 4 v 电源系统 随着车载设备的增多，汽车车载功率也越来越大，因此4 2 v 配电总线就在拟议 之中旧1 ”。虽然4 2 v 总线还没有成为工业标准，但一些o e m 厂商已对此足够重视， 开始预研一些配套设施。其中4 2 v - 1 4 v 双向变换器便是其中之一。图1 - 4 ( a ) 所示 为双电源系统中的4 2 v - 1 4 vb d c 1 5 - 1 6 。 双向d c d c 变换器的研究 f a ) 4 2 v - 1 4 v 双向d c - d c 变换器( b ) 电机驱动系统框剧 ( c ) 超电容加速系统 图1 4 电动汽车电源管理系统中的b d c 应用 2 ) 电动机电动席0 动系统 双向d c d c 变换器应用在电机驱动系统中，既可以通过b d c 为电机供电，又 可以利用电机的制动能量。图1 4 ( b ) 所示为电机驱动系统框图1 7 - 1 9 1 。 3 ) 超电容加速系统 超电容( u l t r ac a p a c i t o r ) 的性能介于常规电容和蓄电池之间，它具有9 0 以上 的充放电效率，充放电电流可达数安培至数百安培，充放电寿命可达1 0 万次以上。 在电动汽车、u p s 等产品上有很好的应用前景【2 0 j 。图1 - 4 ( c ) 所示超电容加速系统 是利用超电容大的充放电电流和高的充放电寿命等优点，为汽车的加速提供大电流并 能迅速吸收制动能量。采用超电容蓄电池混合式电源管理系统将减轻储能环节体积 重量，节省费用 1 6 , 2 1 - 2 2 1 。 1 1 2 4 不停电电源( u p s ) 系统 图1 5u p s 电源系统不意图 关键负载的供电需要具有u p s 。在u p s 系统中，通常具有一个充电单元给蓄电 池充电：在供电电源( 如市电) 断电时，由蓄电池通过另外的放电单元给逆变器供电 以提供负载能量。该系统中的蓄电池充电和放电单元即可用双向d c d c 变换器来代 替。图1 - 7 为使用双向d c d c 变换器的u p s 电源系统的示意图1 2 3 - 2 7 1 。 1 1 2 5 飞机高压直流电源系统 现代飞机高压直流电源( h v d c ) 具有重量轻、效率高，容易实现不中断供电和 4 南京航空航天人学博士学位论文 余度供电的优点。美国s u n d s t r a n d 公司研制的6 0 k w 2 7 0 v 高压直流发电系统已用于 第四代战斗机f 2 2 1 ”i 。新一代战斗机采用2 7 0 v 高压直流电源已成为一种发展趋势 2 9 - 3 3 。在未来飞机的高压直流用配电系统中，为减轻系统的体积重量，双向变换器将 是主要变换单元口2 。4 1 。在图1 6 所示的系统中，由蓄电池给启动发电机供电，发电机 正常工作后输出2 7 0 v 高压直流电，提供负载能量，同时通过b d c 给蓄电池充电。 系统主电源故障时，蓄电池通过b d c 提供关键负载能量。同时，直流母线电压因轻 载或其它原因抬高时，蓄电池作为并联负载通过b d c 吸收直流母线能量，起到抑制 电压过冲的作用。可见，在这个系统中，b d c 具有1 ) 充放电器；2 ) 应急电源；3 ) 2 7 0 v 电压过冲吸收；4 ) 起动发电变换器等4 个作用。双向变换器提高了系统的利 用率，减小了系统的体积重量。 负 载 负 载 k 图1 6b d c 在飞机高压直流电源系统中的应用 除了上面列举的几种已经存在或预研中的有巨大应用潜力的系统之外，b d c 还 在两级式d c a c 双向变换器1 3 5 】、直流功率放大器| 3 6 j 等场合有较高的应用价值。总之， b d c 由二于二其双向能量流动能力而可以在某些场合替代两个单向d c d c 变换器，减小 了整个系统的体积重量和成本。 1 2 双向d c d c 变换器的研究现状 双向d c d c 变换器的广泛应用，吸引了越来越多的研究者关注。目前双向d c d c 变换器的研究主要在电路拓扑和控制两个方面。 1 2 1 双向d c d c 变换器拓扑的研究 本章以基本的d c d c 变换拓扑为主线，将b d c 分成以下5 类，说明研究现状， 并作简单的分析和评价。 1 2 1 ib u c k b o o s t 双向i j c d c 变换器 1 ) 非隔离b u c k b o o s t 型b d c 把b u c k 变换器或b o o s t 变换器的功率二极管换成双向开关后具有同样的结构， 构成b u c k b o o s tb d c 。图l - 7 为b u c k b o o s t b d c 的拓扑结构。由于现有可控功率器 件( 如p o w e r m o s f e t 、i g b t 等) 的体二极管存在存储电荷多、反向恢复特性差等 问题，在非隔离式b d c 中，软丌关技术研究较多。文 7 】提出一种电感电流过零的z v s 。 翌旦里竺：墼壅垫竖塑婴壅 一 实现方案，实现了开关管的z v s 开通，开关管的反并联二极管也是自然通断的，无 反向恢复问题，获得了较高的变换效率。文【1 8 ，1 9 ，2 6 】在两个功率传输方向上分别 增加一：垂z v t 实现的辅助网络，实现了主开关管的零电压开关，但该实现方案增加 了电路的复杂程度。文 3 7 3 8 】把准谐振变换等技术运用到b d c 中，但它和单向的准 谐振变换器一样，增大了开关管的电压电流应力。 图i ，7b u c k b o o s tb d c 的拓扑结构 2 ) 隔离式b u c k b o o s t 型b d c 在非隔离b u c k b o o s tb d c 中插入高频变压器，即可构成隔离型b u c k b o o s t b d c 拓扑，图1 8 ( a ) 为隔离型b u c k b o o s tb d c 的基本形式。其中高频整流，逆变 单元和高频逆变，整流单元可以由全桥、半桥、推挽等电路拓扑构成。图1 8 ( b ) 的 整流逆变器单元为全桥电路。隔离型b u c k 变换方案的研究深入、应用广泛，但隔 离型b o o s t 变换方案相对研究较少。在隔离型b o o s t 变换方案中，有两个共有的问题 1 3 9 ：“升压启动”问题；开关管电压尖峰问题。 高频 逆变 辂流 高频 整流 逆变 ( 曲隔离型b u c k b o o s tb d c 基本拓扑( b ) 全桥隔离型b u c k b o o s tb d c ( 带有复位绕组) 图1 - 8 隔离型b u c k b o o s tb d c 的基本拓扑 在隔离型b o o s t 变换方案中，变换器丌始工作以前输出电压为0 ，因此在输出电 压达到和输入电压相同以前，电感l 将一直处于单向励磁状念，需要采取措施给b o o s t 电感复位，避免其饱和，这就是所谓“升压启动”问题。解决方法为：1 ) 硬件上， 通常添加f l y b a c k 辅助绕组来给l 可靠的去磁，辅助绕组可以接到源端，也可以接到 负载端( 如图1 8 ( b ) ) | 4 1 ；2 ) 控制上通常限制电感电流 4 0 j 。 6 图1 - 9 隔离b u c k b o o s tb d c 拓扑等效电路 南京航空航天大学博十学位论文 开关管电压尖峰问题是隔离型b o o s t 变换器难以解决的问题。以图1 8 ( b ) 所示 拓扑为例分析电压尖峰产生机理。为突出尖峰的引致因素，使分析具有普遍性，这里 忽略高频变压器t r 的励磁电流，并把漏感等折算到同一侧，得到图1 - 9 所示的简化模 型。根据不同的功率流向分别命名为b u c k 方向和b o o s t 方向。漏电感l l k 是引起开关 管电压尖峰的主要因素，在功率传输方向不同时，开关管上产生尖峰的机理不同。 隔离型b o o s t 变换器的尖峰引致模型如图1 1 0 ( a ) 。图中，l 为升压电感电流，在 开关管sh s t 关断瞬问，可以假设为恒流源。c b ；。为开关管s b 。的并联输出结电容和少 量并联尖峰抑制电容，l i 。为变压器等效漏电感，r 为回路等效阻尼，k 为输出电压， 开关瞬间设为恒压源。 a ) 隔离型b o o s t 尖峰0 l 致模型( b ) 隔离型b o o s t 失峰 3 1 致模型 图1 1 0 隔离犁b o o s t 变换器和隔离犁b u c k 变换器的尖峰引致模型 s b 。关断后，由于电感l l k 中的电流不能突变，在l i k 中的电流达到输入电感电流 之前，一方面电流( 凡一，l k ) 给s b 。的等效并联电容c b n 充电，形成电压尖峰；另一方 面，漏感中的电流以( 一。、一圪) l 。的斜率增大，直到等于九。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。 为解决电压尖峰问题，需要从下面的角度入手：1 ) 减小l l k ，变压器的绕制通 常采用三明治结构【4 l 】或采用扁平变压器技术【42 j 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d b 。严重的反向恢复问题 | 4 。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1 4 。2 ) 旁路电感l 中的能量，有下面两种方法：a ) 在s b 。关断时，提供一个低电 抗的能量泄放回路，在供电状态时，再把储存的能量释放到负载端。旁路方案可以是 有源的，也可以是无源的，文献【4 。5 采用有源箝位的方法，获得了开关管的z v z c s ， 但大量的高频箝位电容增加了体积重量和环流能量。文献 4 5 1 采用较小的箝位电容， 给出了无源无损的尖峰吸收方案，其实现原理和文献【4 类似，但其筘位电容的减小 是以更大的环流能量为代价的。b ) 在s b 。关断前，使辅助网络工作，把l 中的能量 直接旁路到负载侧 4 6 - 4 7 。这种方式实际上是把主丌关管上的尖峰转嫁到辅助开关管上 去了，在隔离型变换器中，其辅助网络同样要采用隔离的形式，因此，当辅助网络中 的有源器件关断时，同样会引起巨大的电压尖峰。因此，隔离型b o o s t 变换器的电压 尖峰问题难以抑制的。 隔离型b u c k 变换器的尖峰引致模型如图1 1 0 ( b ) 所示。图中几为输出滤波电 感电流，在开关管s b 。k 关断瞬间，可以假设为恒流源。c b 。k 为开关管s b “的并联输出 7 双向d c d c 变换器的研究 结电容和少量并联尖峰抑制电容，l i k 为变压器等效漏电感，r 为回路等效阻尼， 为输出电压。 在隔离型b u c k 变换器中，s b 。k 关断后，由于h k 中的电流不能突变，l 1 k 和s b 。k 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。正激变换器为典型的隔离型b u c k 变换器，而单端反激变换器的 尖峰引致模型和隔离型b u c k 变换器的尖峰引致模型相同，只是其变压器( 耦合电感) 的等效漏电感较大，引起的电压尖峰更显著而已。因此正激、反激变换器及其组合形 式中丌关管电压尖峰比隔离型b o o s t 变换器丌关管电压尖峰易于抑制。 1 2 1 2b u c k b u c k 双向d c d c 变换器 b u c k b u c k 型b d c 拓扑没有非隔离形式，插入高频变压器后，既可以实现电气 隔离，：叉可以实现电压变换。图1 “( a ) 表示出了它的基本变换器形式，其中的高 频逆变整流单元可以是全桥、半桥、推挽、推挽正激、有源箝位正激等拓扑，l 为 变压器漏电感或少量串联电感。图l n ( b ) 两侧的整流，逆变器单元都为全桥结构。 b u c k b u c k 型b d c 主要有两种：移相控制式b d c 和直流变压器。 厂1 h d 高频j 叫赣i j ) ll j ( a ) 基本形式( b ) 全桥b u c k b u c kb d c 图1 - 11 隔离式b u c k b u c kb d c 的基本结构和全桥b d c 移相控制b d c 通过高频逆变整流器1 超前( 或滞后) 于高频逆变整流器2 相位 柬决定功率流向和传递的功率大小。移相式双向d c d c 变换器有几个特点 4 8 - 5 3 1 ：1 ) 容易实现z v s 软开关；2 ) 系统惯性小，动态响应快；3 ) 利用变压器漏感( 或少量 串联电感) 传递能量，对变压器绕制工艺有较高要求 5 4 1 ；4 ) 输出功率的大小取决于 系统参数( 开关频率，串联电感，移相角、输入、输出电压等) ，存在输出功率限制。 5 ) n v b k 偏离1 较大时( 其中r t 为高频变压器变比) ，存在较大的环流能量。 直流变压器是d c - d c 变换器的一种 5 5 - 5 7 l ，通过高频逆变把直流变成高频脉冲， 经高频变压器变换，然后高频整流成与输入成e t a , 的直流电压。直流变压器可以实现 z v s 开关，具有功率密度高、频带宽等优点，用于功率传输和电压检测场合。 1 , 2 1 3b u c k b o o s t 双向d c 。d c 变换器 8 ( a ) b u c k b o o s tb d c ( b ) f l y b a c kb d c 图l - 1 2b u t ：k b o o s tb d c 拓扑及其隔离形式 南京航空航大大学博十学位论文 b u c k b o o s tb d c 拓扑如图1 1 2 ，它的隔离形式为f l y b a c kb d c ，其能量经电感 ( 或耦合电感) 储存和传递，不适用于大功率场合应用 2 5 , 5 8 - 5 9 1 。利用变压器漏感和开 关管结电容( 或外加电容) 的谐振，可使变换器工作在z c s 状态1 5 ”，也可以使其工 作在电感电流过零状态，实现开关管的z v s 开关。b u c k - b o o s t 型b d c 的优点在于电 路结构简单，缺点是不适用于大功率场合应用。 1 2 1 4c u k 双向d c d c 变换器 c u kb d c 的拓扑结构【3 4 1 和它的隔离形式如图1 1 3 所示。c u k 变换器的能量经过 3 次变换由输入电源传递到负载。以能量由k 流向圪为例：s l 导通，输出电源的 电能转换成l 1 储存的电磁能；s l 截止，l l 中的电磁能转换为c 中的电能；s l 导 通，c 中的电磁能转移到负载和输出回路的l 2 中。由文 6 0 知，这不是有效的能量传 输形式，c u k 型b d c 不适用于大功率场合应用。 匝囝量固槛3 ( a ) c u kb d c( b ) c u kb d c 的隔离形式 图1 1 3c u kb d c 的拓扑及其隔离形式 1 2 1 5s e p i c z e t a 双向d c d c 变换器 s e p i c 变换器和z e t a 变换器的单向开关换成双向开关具有同样的结构，构成 s e p i c z e t a b d c 如图l 。1 4 ( a ) 所示。其隔离形式如图1 1 4 ( b ) 所示。它也有两个 电感l l 、l 2 ，个能量存储和传输电容c ，其能量传输过程和c u kb d c 类似，也不 适用于大功率场合应用。 l 臣强压舀 a ) s e p i c z e t ab d c b ) s e p i c z e t ab d c 的隔离形式 图1 - 1 4s e p i c z e t ab d c 拓扑及其隔离形式 1 2 2 双向d c d c 变换器控制模型的研究 d c 一d c 变换器为实现稳压输出、优良的动态性能等，需构成闭环反馈控制系统。 用状态空阳j 平均法建立开关系统小信号模型是分析了1 ：关调节系统的常用方法【6 ”。单向 d c d c 变换器有很多成熟的控制技术，但在b d c 中存在不同功率流向控制模型不同 的问题，因此研究b d c 的控制模型，提出有效的控制方案是研究b d c 必然要面临的 问题。下面以b u c k b o o s t 双端稳压双向d c d c 变换器为例，简单说明其存在的控制 模型问题。 如图1 - 7 所示，在b u c k b o o s t 双端稳压b d c 中，要求能量由“流向圪时，k 9 双向d c d c 变换器的研究 稳定，而能量由v o 流向时，稳定。在能量由b 流向g o 时，电路工作在常规的 b o o s t 模式下，b o o s t 变换器的开环小信号模型的传递函数为( 卜1 ) 式1 6 l j ：而能量由 流向时，电路工作在b u c k 模式下，b u c k 变换器的开环小信号模型传递函数为 ( 1 - 2 ) 式【6 1 1 ( 两种情况下都设s 2 占空比为d ) 。 稿矾分2。， i ( 5 ) v o ( d 2 一i l j ) o ；小脚晔o 2 + 去s + d 2 ) v 。0 ) 。 v ，( j ) “ v 。( s ) ， d ( j ) ” d 一) 。上c 2 + 兰一j + 1 r q( 1 - 2 ) p 础。2 十去川， 由于b d c 系统不同功率流向时小信号模型不同，如果要求采用统一的闭环调节 器，其校讵和综合就比较困难。文1 3 ，1 5 】采用两套独立的控制环，可以达到上述电 压调节目的。文 8 】采用时域分析方法对b d c 的控制模型进行了研究，得出结论认为： 单闭环调节器无法实现b d c 的闭环稳定调节，双闭环是b d c 的基本控制形式。但本 文通过理论分析和试验验证得出结论认为：单电压闭环p i d 调节器也可实现b d c 的 闭环稳定调节。 目的对双向d c d c 变换器的控制模型的研究较少，需要做进一步的工作。 1 3 本文研究的意义和主要工作 1 3 1 本文的研究意义 b d c 是典型的“一机两用”设备，有重要的研究价值，目前b d c 的研究主要集 中在电路拓扑和控制两个方面。通过上面的分析可见，目前研究的几种b d c 拓扑存 在下面的几个缺陷；( 1 ) 隔离型b u c k b o o s tb d c 因含有的隔离型b o o s t 变换器，存 在开关管电压尖峰大的问题，难以抑制；( 2 ) 移相式b d c 通过变压器漏感( 或少量 串联电感) 传递能量，存在环流能量大的问题，不适于宽凋压范围应用；( 3 ) 反激式 b d c 采用耦合电感传输能量，限制了传输功率等级；( 4 ) c u k 型b d c 和s e p i c z e t a 型b d c 由于其电路拓扑比较复杂，且能量传输过程环节较多，实际应用较少。因此 研究b d c 的拓扑结构，提出新型的适用于双向变换应用场合的电路拓扑有重要意义。 1 0 南京航空航天人学博十学位论文 b d c 在不同的功率流向时控制模型不同，目前b d c 控制模型方面的研究较少，没有 给出几种适用于b d c 的控制方案，得出的一些b d c 控制模型方面的结论也不尽准确。 因此研究b d c 的控制模型有重要价值。 1 3 1 本文的主要研究工作 针对目前的研究现状本文在b d c 的电路拓扑和控制模型两方面做了以下工作： 第一章介绍了b d c 的概念、应用背景，分析了b d c 的研究现状，指出目前b d c 的研究存在的问题，并简单介绍了本文主要研究内容。 第二j 章首先分析了推挽正激变换器的工作原理，给出了环流电流表达式，从理论 上确定了推挽正激变换器箝位电容的取值依据。推挽正激电路的丌关管换成二极管， 可作为一种新颖的整流电路，第二章分析了其工作原理，揭示出推挽正激整流电路输 出电感电流纹波小、可以实现丌关管z v s 开关的优点。为减小开关损耗，提出了一 种谐振电容充电回路和放电回路分离的z c t 实现策略，减小了导通损耗和原有z c t 策略存在的丌关管附加电流应力。移相式b d c 是基本b d c 拓扑之一，本章研究了输 入输出电压变比和移相角对环流能量的影响，指出移相式b d c 方案不适于宽调压范 围应用。最后把推挽正激电路应用在移相式b d c 场合，它具有开关管有效筘位、响 应速度快等优点。 级联式双向d c d c 变换器是b d c 构成方案的新型结构。第三章首先以 b u c k b o o s tb d c 电路构建试验平台，研究了b d c 的控制模型，指出单电压闭环的 p i d 调节器可实现b d c 系统稳定。然后研究了b d c 的一种不调压形式直流变压 器的工作特性，它具有输入输出电压成比例、频带宽、易于实现z v s 开关、功率密 度高等优点。在此基础上，采用具有调压功能的b u c k b o o s tb d c 和具有隔离功能的 直流变压器级联，构成了级联式b d c 。级联式b d c 具有：两部分可分别优化设计、 功率密度高、适用于大变比变换的应用等优点。最后扩展了直流变压器的概念，提出 了三种形式的a c a c 变压器，研究了控制方案，并进行了仿真和试验验证。该变压 器的优点是：可对各种形状的低频电压进行比例变换、实现全部功率开关的z v s 开 关、变换效率和功率密度高、宽频带、适用于各种负载性质等。 第四章提出一种新颖的正反激组合式b d c 构成方案。正激和反激组合式b d c 的一侧绕组串联，另一侧并联。这种结构的b d c 拓扑解决了b u c k b o o s t 隔离型b d c 拓扑存在的丌关管电压尖峰问题。j 下激和