（电力电子与电力传动专业论文）电流电压型半桥双向直流变换器的研究.pdf

- 1 n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nt h ec u r r e n t - - f e d - v o l t a g e f e dh a l f b r i d g eb i - d i r e c t i o n a ld c - d cc o n v e r t e r a t h e s i si n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g b y l uf e n a d v i s e d b y r e s e a r c h e rw a n gh u i z h e n s u b m i r e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g j a n u a r y ，2 0 1 0 - l l 一 】 j 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： 一 ， - l 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 在一些需要功率双向流动的应用场合，如非并网风力发电系统，为了实现直流母线稳压和 对蓄电池恒流充电，可以在直流母线和蓄电池之间引入双向d c d c 变换器。相对于两套独立 的单向d c d c 变换器而言，双向d c d c 变换器减小了系统的体积和成本。 本文研究了一种电流一电压型半桥双向直流变换器。在该拓扑中，移相控制的采用实现了开 关管的零电压开通。由于半桥分压电容的箝位作用，不需要外加电路即可解决开关管的关断尖 峰问题，相对于其它电流源型隔离双向d c d c 变换器而言，所需电路元器件数目较少。 文中分析了电流电压型半桥双向直流变换器的工作原理，以移相控制双向直流变换器的等 效分析模型为基础，讨论了变换器的电路特性。详细推导了有功功率与移相角的关系以及变换 器各开关管实现软开关的条件；通过对变换器电流应力、无功功率与有功功率的比值的分析， 得知移相控制双向直流变换器一般用于变换器两端电压变化不大的场合。同时给出了主电路参 数和控制设计，最后进行了仿真和实验验证。仿真和实验结果表明，变换器实现了直流母线稳 压和对蓄电池恒流充电以及功率双向流动，验证了理论分析和控制策略的正确性。 关键词：电流电压型，半桥，双向d c d c 变换器，移相控制，零电压开关。 电流电压型半桥双向直流变换器的研究 a b s t r a c t i ns o m es p e c i f i ca p p l i c a t i o nf i e l d sw h i c ha l l o wt h ep o w e rt r a n s m i s s i o nb e t w e e nt w od cs o u r c e s i ne i t h e rd i r e c t i o n , s u c ha sn o n - g r i d - c o n n e c t e dw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m ，t h eb i d i r e c t i o n a l d c - d cc o n v e r t e rc a nb ei n t r d u c e di no r d e rt or e g u l a t et h ed cb u sv o l t a g ea n dc h a r g et h eb a t t e r yb y c o n s t a n tc u r r e n t c o m p a r i n gt ot w os e p a r a t eu n i d i r e c t i o n a ld c - d cc o n v e r t e r s ，t h eb i - d i r e c t i o n a l d c - d cc o n v e r t e rr e d u c e sw e i g h ta n dc o s to ft h es y s t e m ac u r r e n t - f e d - v o l t a g e f e dh a l fb r i d g eb i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e ri ss t u d i e di nt h i st h e s i s t o r e a l i z e z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g ( z v s ) o f a l la c t i v ep o w e rd e v i c e s ，t h ec o n v e r t e rh a sm o p e d p h a s e s h i f t e dc o n t r 0 1 t h es w i t c h i n gd e v i c e s v o l t a g es p i k e sp r o b l e mi ss o l v e dw i t h o ma n yo t h e r a u x i l i a r yd e v i c e sd u et ot h ec a p a c i t o r s c l a m p e dr u c t i o no fh a l fb r i d g e t h e r ea r ef e w e rc o m p o n e n t si n t h i st o p o l o g yt h a nt h o s eo fo t h e r s c u r r e n t - f e di s o l a t e db i d i r e c t i o n a ld c - d cc o n v e r t e l t h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h ec o n v e r t e ri sa n a l y z e di nt h ep a p e r b a s e do nt h ee q u i v a l e n t a n a l y s i sm o d e l ，t h ec i r c u i tc h a r a c t e r i s t i c sa r ed i s c u s s e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea c t i v ep o w e r a n dp h a s e - s h i f t e da n g l ea n dt h ec o n d i t i o nt h a tr e a l i z e ss w i t c h i n gd e v i c e sz v sa lea l s oi n d u c e di n d e t a i l b yt h ea n a l y s i so fc u r r e n ts t r e s sa n dt h er a t i oo ft h er e a c t i v ep o w e ra n da c t i v ep o w e r , i tc a nb e c o n c l u d e dt h a tt h eb i - d i r e c t i o n a lc o n v e r t e ri sm o r es u i t a b l ef o ra p p l i c a t i o nf i e l d st h a tt w od cs o u r c e s h a v el i t t l ec h a n g e t h ed e s i g no fp o w e rs t a g ep a r a m e t e r sa n dc o n t r o ls t r a t e g ya l eg i v e n i nt h el a t t e r p a r to fp a p e r , t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w h i c hh a v ev e r i f i e dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d c o n t r o ls t r a t e g y , a r ea l s op r e s e n t e d t h ec o n v e r t e rr e a l i z e st h ep o w e rt r a n s m i s s i o nb e t w e e nt w od c s o u r c e si ne i t h e rd i r e c t i o n k e yw o r d s ：c u r r e n t - f e d - v o l t a g e f e d ，h a l fb r i d g e ，b i - d i r e c t i o n a ld c - d cc o n v e r t e r ，p h a s e - s h i f t e d c o n t r o l ，z e r o - v o l t a g e s w i t c h i n g ( z v s ) i i 。_ _ 一 ( ， 1 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论。l 、弓善。、 1 2 双向d c d c 变换器的应用l 1 2 1 新能源发电系统l 1 2 2 电动汽车电源系统。2 1 2 3 不停电电源系统3 1 2 4 飞机高压直流电源系统。3 1 3 双向d c d c 变换器的研究现状4 1 3 1 双向d c d c 变换器的电路拓扑4 1 3 2 双向d c d c 变换器的软开关技术7 1 3 3 双向d c d c 变换器的控制9 1 4 本文的研究意义与主要内容。9 1 4 1 本文的研究意义。9 1 4 2 本文的主要内容9 第二章电流电压型半桥双向直流变换器的工作原理与特性分析l l 2 1 变换器的工作原理1 l 2 1 1b o o s t 工作模式模态分析1 1 2 1 2b u c k 工作模式模态分析1 5 2 2 变换器的特性分析l9 2 2 1 变换器的等效分析模型1 9 2 2 2 有功功率与移相角的关系2 0 2 2 3 变换器的软开关条件2 2 2 2 4 电感厶的电流应力2 4 2 2 5 功率传输过程中无功功率与有功功率的关系2 5 2 3 本章小结2 6 第三章主电路参数及控制设计2 7 3 1 主电路参数设计2 7 3 1 1 主功率变压器设计2 7 3 1 2 外加辅助电感设计2 9 m 电流电压型半桥双向直流变换器的研究 3 1 3 滤波电感设计3 2 3 1 4 蓄电池侧滤波电容的计算3 3 3 1 5 均压电容的选取3 3 3 1 6 隔直电容选取3 3 3 1 7 功率开关管选取3 3 3 2 控制设计3 4 3 2 1 控制策略。3 4 3 2 2 软启动及其控制电路3 8 3 3 本章小结3 9 第四章仿真与实验结果及分析4 0 4 1 仿真与分析4 0 4 1 1b o o s t 稳压模式仿真与分析4 0 4 1 2b u c k 限流模式仿真与分析。4 4 4 1 3 软启动仿真与分析4 5 4 1 4 工作模式切换仿真与分析4 6 4 2 实验结果与分析4 7 4 2 1b o o s t 稳压模式实验结果与分析4 8 4 2 2b u c k 限流模式实验结果与分析5 0 4 2 3 软启动实验结果与分析5 1 4 2 4 工作模式切换实验结果与分析5 2 4 2 5 效率曲线5 3 4 3 本章小结5 3 第五章总结与展望5 5 5 1 本文工作总结5 5 5 2 下一步工作展望5 5 参考文献5 7 致谢6 l 在学期间的研究成果及发表的学术论文一6 2 附录6 3 i v 啼 l 气 i i 南京航空航天大学硕士学位论文 图清单 图1 1 联接双向d c d c 变换器的非并网风力发电系统结构图。2 图1 2 蓄电池供电的电动汽车驱动系统2 图1 34 2 v 1 4 v 汽车双电源系统结构图3 图1 4 直流不停电电源系统结构图3 图1 5 飞机高压直流电源系统简化结构图4 图1 6 通用的隔离双向d c d c 变换器拓扑结构一5 图1 7 通用的隔离双向d c d c 变换器拓扑结构二。5 图1 8 电流电压型半桥双向直流变换器6 图1 9l - t y p e 型半桥全桥双向直流变换器6 图1 1 0l 电p e 型半桥半桥双向直流变换器。6 图1 1 l 非对称结构的双向i x ：d c 变换器7 图2 1 电流一电压型半桥双向直流变换器拓扑1 l 图2 2b o o s t 模式电路主要波形1 3 图2 3b o o s t 模式各开关模态等效电路1 5 图2 4b u c k 模式电路主要波形。l6 图2 5b u c k 模式各开关模态等效电路。l8 图2 6 变换器等效分析模型。1 9 图2 7 变换器工作的原理波形1 9 图2 8 有功功率p 与移相角矽的关系。2 l 图2 9 变换器各开关管的软开关范围2 3 图2 1 0 厶m 缸与、厶之间的关系曲面2 5 图2 11k 与口、的关系曲面2 6 图3 1 厶椰随蓄电池电压、输出功率p 口变化的曲面图2 8 图3 2 易脚。在蓄电池电压为2 0 v 和3 0 v 时随电感变化的曲线3 0 图3 3 变换器双向工作的控制框图3 5 图3 4u c c 3 8 9 5 移相控制器的时序图3 5 图3 5 控制信号切换示意图。3 8 图3 6 带软启动电路的电流电压型半桥双向直流变换器拓扑3 9 图3 7 辅助开关管( 戤驱动电路的控制信号产生电路及其工作波形3 9 v 电流电压型半桥双向直流变换器的研究 图4 1b o o s t 稳压模式下玩严2 0 v 时的仿真波形4 1 图4 2b o o s t 稳压模式下l = 2 4 v 时的仿真波形4 2 图4 3b o o s t 稳压模式下矽k 3 0 v 时的仿真波形4 3 图4 4b u c k 限流模式下的仿真波形。4 5 图4 5 未加软启动电路的仿真波形。4 6 图4 6 加入软启动电路的仿真波形4 6 图4 7 变换器双向工作时的模式切换波形仿真图。4 7 图4 8b o o s t 稳压模式下尸2 0 v 时的实验波形4 8 图4 9b o o s t 稳压模式下峭4 v 时的实验波形4 9 图4 10b o o s t 稳压模式下讲_ 2 7 v 时的实验波形。4 9 图4 1 lb o o s t 稳压模式下产3 0 v 时的实验波形。4 9 图4 12b u c k 限流模式下的实验波形5 1 图4 1 3 变换器软启动的实验波形5 1 图4 1 4 变换器双向工作时的切换波形5 2 图4 1 5 不同蓄电池侧电压下效率随输出功率的变化曲线5 3 v i ，一i 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表 一、缩略词及其名称 缩写英文全称 d c d c d i r e c tc u r r e n t - d i r e c tc u r r e n t a c - d c a l t e r n a t i n gc u r r e n t - d i r e c tc u r r e n t w g w i n dg e n e r a t o r i s g i n t e g r a t e ds t a r t e rg e n e r a t o r h v d c h i 【g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t p w mp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n z v s z e r ov o l t a g es w i t c h i n g 二、基本符号及意义 基本符号意义 蓄电池电压 如滤波电感 q ( n = l - - 4 ) 开关管 c 俨, ( n = 1 - - - 4 ) 开关管寄生电容与外并电容之和 c l 乜半桥均压电容 c 6 1 乜2隔直电容 变压器原边电流 变压器原边电压 尸 有功功率 石 开关频率 刀 变压器原副边匝比 三、下标符号及其意义 中文全称 直流直流 交流直流 风力发电机 起动发电一体机 高压直流电 脉宽调制 零电压开关 意义 直流母线电压 蓄电池侧滤波电容 开关管体内寄生二极管 电容c 埘两端的电压 均压电容两端电压 变压器漏感与外接电感之和 滤波电感电流 变压器副边电压 输出功率 开关周期 无功功率 m a x ：最大值 m i n ：最小值p e a k ：峰值 i t l l s ：有效值 v 一一一m厶屯厶瓦q 。_ _ 一 一 ， ， 一 q 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 随着功率电子技术的发展，单向直流直流( d i r e c tc u r r e n t - d i r e c tc u r r e n t , d c d c ) 变换器得 到了广泛的应用。在通常情况下，单向d c d c 变换器中的主功率传输通路上一般都有二极管 这个环节，因此流经变换器的功率也只能是单方向的。对于一些需要功率双向流动的场合，一 般将两个单向d c d c 变换器反并联，一个单向d c d c 变换器用来控制功率从输入端流到输出 端，另一个单向d c d c 变换器用来控制功率从输出端流到输入端。如此一来，系统的体积和 成本将增加。而双向d c d c 变换器实际上就是把这两个单向d c d c 变换器的功能由一个变换 器来完成，实现“一机两用”。与传统的采用两套单向d c d c 变换器来达到功率双向传输的方 案相比，双向d c d c 变换器应用同一个变换器来控制功率的双向传输，使用的总体器件数目 减少，且可以方便地实现两个方向功率的平滑切换。在低压大电流场合，双向d e d c 交换器 更有可能在现成的电路上使用同步整流的工作方式，有利于降低变换器通态损耗。总之，与传 统的采用两套单向d e d c 变换器来达到功率双向传输的方案相比，双向d c d c 变换器具有体 积小和成本低等优势【1 1 。因此，在需要功率双向传输的场合，双向d c d c 变换器有着重要的应 用价值。 1 2 双向d c d c 变换器的应用 双向d c d c 变换器在新能源发电系统( 如风力发电系统、太阳能发电系统和燃料电池发电 系统等) 、电动汽车电源系统、不停电电源系统和飞机高压直流电源系统等领域均有其应用场合。 下面简要介绍一下双向d c d c 变换器在这些场合中的应用。 1 2 1 新能源发电系统 随着不可再生能源的日渐衰竭和环境污染加剧，人们开始致力于寻找和利用新的、清洁的 可再生能源，如风能、太阳能和燃料电池等。在研究新能源发电系统的同时，双向d c d c 变 换器也获得了较多的关注【1 1 【9 1 。下面以非并网风力发电系统为例介绍双向d c d c 变换器在新能 源发电系统中的应用。 图1 1 给出了联接双向d c i x ：变换器的非并网风力发电系统结构图。风机带动风力发电机 ( w m dg e n e r a t o r , w g ) 发电，将风能轮换为电能。风力发电机发出的交流电经交流直流 ( a l t e r n a t i n gc u r r e n t - d i r e c tc u r r e n t , a c d c ) 变换器整流之后作为直流母线。为了最大限度的利用 风能，风机工作在最大功率跟踪点。当风速较快时，风机发出的电能较多，除了保证直流母线 电流电压型半桥双向直流变换器的研究 上负载的正常供电外，将多余的能量通过双向d c d c 变换器储存到蓄电池中；当风速较慢或 者风机故障时，风机发出的电能不足以提供直流母线上负载所需的功率，蓄电池通过双向 d c d c 变换器向负载提供电能。双向d c d e 变换器在系统中充当蓄电池的充放电管理单元， 它设计的好坏将直接影响到蓄电池的利用效率和寿命长短。 2 8 v 图1 1 联接双向d c d c 变换器的非并网风力发电系统结构图 1 2 2 电动汽车电源系统 电动汽车由于其对环境污染小，能源利用率高等优点，近些年得到了较多研究【l l 1 1 0 1 f 1 7 l 。 图1 2 给出了双向d c d c 变换器在蓄电池供电的电动汽车驱动系统中的应用。当电动机工作在 电动状态时，蓄电池通过双向d c d c 变换器放电，控制逆变器驱动电机；当电动机工作在制 动状态时，电机回馈的能量经逆变器和双向d c d c 变换器给蓄电池充电，储存能量。双向 d e d e 变换器在蓄电池供电的电动汽车中，既可充当蓄电池的管理单元，防止电池深度充放电， 延长电池寿命，又可稳定逆变器的输入电压，改善电机的驱动性能和提高驱动效率。 l 双向 逆 d c d c 变 r 变换器 器 图1 2 蓄电池供电的电动汽车驱动系统 随着汽车车载设备的增多，汽车车载功率也随之增加，4 2 v 供电母线在汽车中应用将是一 种发展趋势。同时为了兼容原先1 4 v 供电母线中的一些关键设备，于是可采用4 2 v 1 4 v 双电源 系统供电。图1 3 给出了4 2 w 1 4 v 汽车双电源系统结构图，双向d e d c 变换器在系统中实现 4 2 v 供电母线和1 4 v 供电母线之间的能量交换( 图中i s g 为i n t e g r a t e ds t a r t e rg e n e r a t o r , 起动 发电一体机的简写) 。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 1 2 3 不停电电源系统 逆 4 2 = i 鑫l 变 l 肉 双向 r 掣 d c d c 变换器 t - 下 器 图1 34 2 v 1 4 v 汽车双电源系统结构图 不停电电源系统包括直流不停电系统和交流不停电系统两种。 图1 4 给出了直流不停电电源系统f l j 【1 s h l 卅的结构图。当交流输入电源正常供电时，整流过 后的直流母线电压除了提供负载功率外，还通过双向d c d c 变换器对蓄电池充电；当交流输 入电源掉电时，蓄电池通过双向d c d c 变换器放电，给直流母线上的关键负载供电。在直流 不停电电源系统中，双向d c d c 变换器同样充当蓄电池的管理单元，优化充放电过程，延长 电池寿命。 交流输入 电源 i 净 a c d c f 负载l 双向 变换器 u d c d c 变换器 图1 4 直流不停电电源系统结构图 双向d c d c 变换器也可以在交流不停电电源系统中得到应用。此处不再介绍，具体可参 考相关文献【l 】， 2 0 - 2 h 。 1 2 4 飞机高压直流电源系统 飞机高压直流电源( h i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t , h v d c ) 系统由于其重量轻，效率高等诸多优 点，已经成为未来飞机高压直流配电系统的一种发展趋势【2 2 】咧。为减小系统的体积和重量，双 向d c d c 变换器得n - j 应m t 2 4 j 。图1 5 给出了飞机高压直流电源系统的结构图。起动发电机 正常工作在发电状态时，整流后输出2 7 0 v 直流母线电压，除了提供负载功率外，同时通过双 向d c - d c 变换器为蓄电池充电；当发电机故障时，蓄电池则通过双向d c d c 变换器为直流母 线上的关键负载供电，充当备份电源的作用；当负载变化引起2 7 0 v 直流母线电压发生波动时， 双向d c d c 变换器可以实现直流母线和蓄电池之间的能量交换，起到稳定直流母线电压的作 用。 3 电流电压型半桥双向直流变换器的研究 2 葛v 图1 5 飞机高压直流电源系统简化结构图 除了上述介绍的应用场合之外，双向d c d c 变换器还在移动发电系统渊榭1 21 等场合有着较 高的应用价值。 1 3 双向d c d c 变换器的研究现状 2 0 世纪8 0 年代初，为了减轻人造卫星太阳能电源系统的体积和重量，美国学者提出用双 向d c d c 变换器代替蓄电池充电器和放电器，开始了对b u c k b o o s t 双向d c d c 变换器的研究， 并使之最终进入实用阶段。此后，双向d c i x ；变换器的研究吸引了国内外越来越多学者的关 注。从提出至今，双向d c d c 变换器的研究主要集中在电路拓扑、软开关技术和控制等几个 方面。 1 3 1 双向d c d c 变换器的电路拓扑 一般而言，将单向d c d c 变换器拓扑中的单向开关( 二极管或无反并二极管的有源开关) 替换成双向开关( 自身反并二极管的有源开关，该二极管可以是有源开关体内的寄生二极管) 时， 即可构成双向d c d c 变换器拓扑。和单向i x ：d c 变换器一样，双向d c i x ；变换器也可分为 非隔离和隔离两种类型。 1 3 1 1 非隔离双向d c d c 变换器 文献【2 7 】总结了非隔离双向d c d c 变换器的拓扑结构。六种基本的非隔离单向i x ；d c 变 换器b u c k 、b o o s t 、b u c k - b o o s t 、c u k 、s e p i c 和z e t a ，在它们的开关管上反并二极管，在二极 管上反并开关管即可构成四种非隔离双向d c d c 变换器：b u c k b o o s t 、b u c k b o o s t 、c u k 、 s e p i c z e t a 双向d c d c 变换器。在这四种基本的双向d c i ) c 变换器拓扑的输入或输出端加入 滤波器可以得到一系列变形的非隔离拓扑。由于b u c k - b o o s t 双向d c d c 变换器的输入输出电 压极性相反，不适合在电动车中使用，于是文献【2 8 】提出了一种级联型的b u c k - b 0 0 s t 双向d c d c 变换器拓扑，并制作了一台2 0 k w 水冷式的样机，用于电动车驱动系统。为了减小功率器件的 电压应力，文献【9 】将三电平结构引入双向d c d c 变换器中，提出了三电平的非隔离b u c k b o o s t 4 l 南京航空航天大学硕士学位论文 双向d c d c 变换器，其工作原理在实验样机中得到了验证。 1 3 1 2 隔离双向d c d c 变换器 隔离双向d c d c 变换器拓扑形式较多。 在单向反激拓扑中的开关管上反并二极管，在二极管上反并开关管即可构成双向反激变换 器【2 9 1 。它和单向反激变换器一样，存在效率低和漏感引起开关管关断电压尖峰等i 口- j 题。文献 3 0 】 中将有源箝位支路引入到双向反激变换器和双向正激变换器中，得到了有源箝位反激和有源箝 位正激双向变换器，消除了开关管的电压尖峰。 目前研究较多的一类隔离双向d c d c 变换器拓扑可由图1 6 所示的通用结构表示，其中的 高频逆变整流和高频整流，逆变单元可以由全桥、半桥、推挽、有源箝位正激和推挽正激等电 路拓扑构成。在这些隔离型拓扑中，交压器的漏感( 或者外接的串联电感) 用来作为能量储存和 传输元件。对于图1 6 所示的通用拓扑结构，其两端均为电压源型拓扑，不存在大电感惯性环 节，动态响应较快，因此对该结构研究较多【3 0 - 1 3 6 1 。 压器 图1 6 通用的隔离双向d c d c 变换器拓扑结构一 另一类隔离双向d c d c 变换器拓扑可由图1 7 所示的通用结构表示，其中的高频逆变整 流和高频整流逆变单元可以由全桥、半桥和推挽等电路拓扑构成。在这些隔离型拓扑中，蓄电 池侧均串联一个大电感，用来平滑蓄电池的充放电电流。对于图1 7 所示的通用结构，由于其 一端为电流源型的拓扑，存在升压启动问题和开关管关断电压尖峰问题，解决较为困难。针对 电流源型拓扑存在的问题，在通用拓扑结构二的基础上出现了一些改进的隔离型双向d c d c 变换器拓扑0 3 7 】1 3 蚋。 压器 图1 7 通用的隔离双向d c d c 变换器拓扑结构二 针对电流- 电压型拓扑存在的开关管电压尖峰难以解决的问题，文献【3 9 】提出了正反激组合 式的双向d c d c 变换器。该类型拓扑不存在电流型拓扑固有的电压尖峰问题，具有电压尖峰 小，电流纹波小和可实现软开关等优点。最后文献中还提出了一族正反激组合式的双向d c i x ； 变换器拓扑。 5 电流电压型半桥双向直流变换器的研究 文献 4 0 】- 4 2 1 提出了一种电流一电压型半桥双向直流变换器拓扑，如图1 8 所示。在该拓扑 中，由于半桥分压电容的箝位作用，不需要外加电路即可解决开关管的关断尖峰问题，所需电 路元件器数目较少。 图1 8 电流电压型半桥双向直流变换器 文t r 7 ， 4 3 j 分别研究了一种低压侧采用l - t y p e 型半桥拓扑，高压侧采用全桥和半桥拓扑的 隔离双向1 3 t 2 i x ；变换器，如图1 9 和图1 1 0 所示。为了解决开关管的关断尖峰问题，分别引 入了无源和有源箝位电路。和其它的电流源型拓扑一样，l t y p e 型半桥拓扑也存在启动问题。 图1 9l - t y p e 型半桥- 全桥双向直流变换器 _ ， 图1 1 0l - t y p e 型半桥- 半桥双向直流变换器 一种非对称结构的隔离双向d c d c 变换器拓扑1 3 0 1 如图1 1 1 所示。由于有源箝位支路的引 ， 入，该拓扑开关管也不存在关断尖峰。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 。厶。i = c 2e 一卜 一 墼丹 l 约基 门 苗 图1 1 l 非对称结构的双向d c d c 变换器 此外，在现有的双向d c d c 变换器拓扑的基础之上，又可以得到级联式的双向1 3 ( 2 d c 变 换器，以适应较大电压变比的应用场合畔j 。 1 3 2 双向d c d c 变换器的软开关技术 双向d c d c 变换器的功率能够双向流动，当功率流向发生改变时，为实现软开关而引入 的辅助支路的开关时序和( 或) 谐振时序通常也需要相应的改变。因此，单向d c d c 变换器中的 软开关支路并不能原封不动地照搬到双向i ) 1 2 d c 变换器当中。在现有软开关技术的基础之上， 一些文献中已经提出了不少适用于双向d c d c 变换器的软开关技术方案。下面分别作简要的 介绍。 1 3 2 1 谐振、准谐振和多谐振技术 文献 4 5 1 将谐振技术应用到b u c k b o o s t 双向d c d c 变换器中，消除了开关器件开关过程中 电压和电流的交替现象，降低了变换器的开关损耗，但需要变频控制，不利于变换器滤波电感 的优化设计。针对这个缺陷，研究者又提出了准谐振和多谐振双向i x ；d c 变换器1 4 6 h 4 7 1 ，保证 开关频率不变。和单向谐振d c i ) 1 2 变换器一样，谐振类双向d c d c 变换器虽然降低了开关损 耗，但同时也增加了功率器件的电流应力，增加了导通损耗。而且对电路的寄生参数较敏感， 一般用于小功率场合。 1 3 2 2 准方波零电压开关技术 文献【5 】在b u c k b o o s t 双向d c 1 3 ( 2 变换器中采用了准方波零电压开关技术。无论双向变换 器功率正向流动还是反向流动，电感电流均有正有负，使得开关管在开通之前，有电流流过其 反并的二极管，为开关管零电压开通创造了条件。该技术实现简单，但电感电流纹波很大，为 实现软开关通常需要设计电感电流峰值超过两倍的负载电流，使得导通损耗和磁芯损耗增加。 为了降低纹波电流过大带来的损耗，一般需要采用开关管并联和多模块并联技术。 7 电流电压型半桥双向直流变换器的研究 1 3 2 3 无源、有源缓冲技术 无源缓冲技术通过在变换器中加入无源缓冲网络来软化开关管的开关过程，吸收电压、电 流过冲 4 8 1 。有源缓冲技术是通过在变换器中加入有源开关和厶c 无源谐振网络来达到零电压 转换和零电流转换的目的f 2 1 】1 4 9 1 。这类软开关技术降低了变换器的开关损耗，但需要通过无源辅 助网络或者( 和) 有源开关才可以实现，外加元器件数目较多。 1 3 2 4 有源箝位技术 文献【3 8 】在电流电压型全桥双向d c d c 变换器中引入了有源箝位支路，一方面消除了电 流源型拓扑开关管关断的电压尖峰问题，另一方面实现了开关管的零电压开关。文献【3 0 】中研 究了一系列的有源箝位型双向d c - d c 变换器，不但消除了电压过冲，而且实现了主开关管和 辅助开关管的软开关。和无源、有源缓冲技术类似，这类软开关技术需要额外引入辅助的有源 箝位支路，一定程度上增加了控制的复杂度。 1 3 2 5 移相控制技术 图1 6 所示的通用拓扑结构大多可以采用移相控制来实现开关管的零电压开通【3 0 1 ，1 3 2 1 【3 3 1 。 在移相控制技术中，各开关管的占空比均为5 0 ，通过控制变压器原副边电压之间的移相角来 控制双向d c d c 变换器功率流动的方向和大小。无须加入其它辅助网络，利用变压器的漏感 或者外接的串联电感中储存的能量即可实现开关管的零电压开通。不足之处是，当变压器原副 边电压不匹配时，变换器存在较大的循环能量，增加了导通损耗。和单向移相全桥d c d c 变 换器一样，移相控制的双向d c d c 变换器在轻载时也不容易实现软开关。 1 3 2 6p w m 加移相控制技术 脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o ，p w m ) 加移相控制是指在采用移相控制的同时，调节各开 关管的占空比，不再固定占空比为5 0 不变h 3 】 【5 0 】【5 2 1 。该技术的优点是：一方面采用移相控制， 实现开关管的零电压开关。另一方面，由于变换器输入输出电压变化导致变压器原副边电压不 匹配时，移相控制在变换器中将会引起很大的电流峰值和有效值，增加导通损耗，这时可以通 过调节开关管的占空比，实现变压器原副边电压的匹配，从而减小电流应力和电流有效值，减 小了导通损耗，同时还拓展了变换器的软开关范围。但该技术不具有普遍适用性，针对特定的 拓扑形式才可应用。文献【5 l 】中对能采用该技术的拓扑类型进行了推导和综合。 此外，一些双向d c d c 变换器为了在两个功率流向上均实现软开关，需要混合采用两种 上述的软开关技术才能达到目的。 8 南京航空航天大学硕士学位论文 1 3 3 双向d c d c 变换器的控制 双向d c d c 变换器功率能够双向流动，在两个功率流向上变换器的控制模型并不一定相 同，为了实现双向d c d c 变换器两端的电压( 或电流) 稳定，通常需要采用两套独立的闭环控制 调节器【5 3 1 。针对文献【5 4 】提出的采用单闭环比例( p ) 或比例积分( p i ) 调节器无法实现双向i x ；d c 变换器的闭环稳定调节这个结论，文献【5 5 】通过理论分析和实验验证得出结