【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 圖 中， 1R 為高壓側(cè)母線負(fù)載；變壓器兩側(cè)繞組匝數(shù)分別為 1N、 2N，匝比為 N=N1： N2； Lr1 為變壓器高壓側(cè)等效漏感或與外串電感之和； Lr2 為變壓器低壓側(cè)等效漏感或與外串電感之和； Cb Cb2 分別為變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)所串隔直電容； Lf 在充電模式時(shí)是濾波電感，放電模式時(shí)是儲(chǔ)能電感； fC 是高壓側(cè)的濾波穩(wěn)壓電容。 該變換器有兩種工作模式：當(dāng)供電電源 V1 正常時(shí)，開(kāi)關(guān) K1 閉合， V1 提供母線負(fù)載 R1 能量，同時(shí)通過(guò)變換器給蓄電池 V2 充電，稱為充電模式；當(dāng)供電電源 V1 故障時(shí)，開(kāi)關(guān) K1 斷開(kāi)，蓄電池 V2 作為應(yīng)急供電電源通過(guò)變換器升壓后提供高壓側(cè)母線負(fù)載 R1 能量，稱為放電模式。 充電模式時(shí)，開(kāi)關(guān)管 Q1~Q4有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并采用移相 PWM 控制方式，而開(kāi)關(guān)管 Q5~Q8 則不加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，只利用其反并聯(lián)二極管 D5~D8 實(shí)現(xiàn)輸出全橋整流。放電模式時(shí)，開(kāi)關(guān)管 Q5~Q8 雙向 DCDC 變換器在燃料電池能量管理中的應(yīng)用 12 有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，當(dāng)四個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)電感 Lf儲(chǔ)能，當(dāng)對(duì)管 Q5 、 Q8（或 QQ7）同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，向高壓側(cè)負(fù)載傳遞能量，實(shí)現(xiàn)變換器的升壓功能，而開(kāi)關(guān)管Q1~Q4 則沒(méi)有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，只利用其反并聯(lián)二極管 D1~D4 實(shí)現(xiàn)輸出全橋整流。 控制方式 橋式直流變換器和逆變器一樣，有雙極性、單極性和移相三種控制方式。在橋式直流變換器中，移相控制方式易實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓（ ZVS）開(kāi)通，故在此討論研究移相控制方式下的全橋直流變換器。 移相控制方式一個(gè)橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào) 180 度互補(bǔ)導(dǎo)通且中間有死區(qū)，兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通角相差一個(gè)相位，即移相角。通過(guò)調(diào)節(jié)移相角的大 小來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。圖 (b)中 Q Q2 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)超前于 Q Q4 一個(gè)相位，稱 Q Q2 組成的橋臂為超前橋臂， QQ4 組成的橋臂為滯后橋臂。圖 (a)中的開(kāi)關(guān)管 Q1~Q4 上不僅有反并聯(lián)二極管D1~D4，還有并聯(lián)電容 C1~C4，它們可以是開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容，或外加的小電容。C1~C4 的作用是使開(kāi)關(guān)器件在關(guān)斷時(shí)其兩端電壓從零緩慢上升，實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷，減少關(guān)斷損耗。在開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷、開(kāi)通過(guò)程中，電容 C1~C4 與 Lr1 諧振，使開(kāi)關(guān)管在施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)開(kāi)通時(shí)其兩端電壓已為零，從而實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，無(wú)開(kāi)通損耗。 雙向 DCDC 變換器在燃料電池能量管理中的應(yīng)用 13 雙向 DCDC 變換器在燃料電池能量管理中的應(yīng)用 14 運(yùn)行模式分析 為了使圖 (a)電路工作原理的分析簡(jiǎn)明、清晰，假定： (1)所有功率開(kāi)關(guān)管均為理想器件，忽略正向壓降及開(kāi)關(guān)時(shí)間； (2)所有電感、電容和變壓器均為理想元件； (3)C1=C2， C3=C4； (4)只要濾波電感 Lf 比較大，且 Lf》 Ln/n*n 圖 (b)是該全橋變換器的充電模式時(shí)的主要工作波形，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，共有 12 個(gè)開(kāi)關(guān)模態(tài)，因?yàn)榍鞍雮€(gè)周期的開(kāi)關(guān)模態(tài)和后半個(gè)周期的開(kāi)關(guān)模態(tài)工作情況類同，所以圖 (c)只畫出穩(wěn)態(tài)工作時(shí)半個(gè)周期 6 個(gè)開(kāi)關(guān)模態(tài)的等效電路，且未畫 出變壓器輸出電路。 模態(tài) 1： t=t0 時(shí)， Q1 關(guān)斷，電感 Lr1 電流達(dá)到最大值 ip=Ip。由于電路有電感，等效電感 L 很大，電流 ip 變化不大， ip 從 Q1 轉(zhuǎn)到 C C2。 C1 從零電壓開(kāi)始充電，實(shí)現(xiàn)了 Q1 軟關(guān)斷； C2 放電。 T=t1 時(shí)， C1 從零充電到 V1， C2從 V1 放電到零， VAB=VCD=0， D2 開(kāi)始導(dǎo)電，創(chuàng)造了 Q2 的 ZVS 條件。副邊經(jīng) 5D、 D8整流輸出。 占空比損失的計(jì)算 觀察圖 (b)的逆變器輸出電壓 VAB 和整流橋輸出電壓 VCD 的波形，可知，在 t2→ t5 和 t8→ t11 期間， VAB≠ 0， VCD=0，這就造成，半個(gè)周期內(nèi)整流橋輸出電壓 VCD 的占空比 Deff 小于逆變器輸出電壓 VAB 的占空比 D，占空比有損 雙向 DCDC 變換器在燃料電池能量管理中的應(yīng)用 15 失。 下面計(jì)算副邊占空比 effD 和原邊占空比 D 之間的關(guān)系 [26][33~38]。為分析方便，忽略開(kāi)關(guān)管并聯(lián)電容充放電過(guò)程，則移相全橋直流變換器理論開(kāi)關(guān)波形可進(jìn)一步簡(jiǎn)化，見(jiàn)圖 ，圖中給出了充電模式一周期內(nèi)開(kāi)關(guān)管斬波電壓 ABV、電感 1rL 上的電流 pi波形和變壓器副邊整流輸出電壓 CDV 波形。由圖 可見(jiàn)，由于變壓器存在漏電感 1rL，使占空比損失期間 (25tt→和 811tt→ )，原邊電流以斜率 11/rVL 上升，因此輸出電壓 CDV 占空比 effD 小于原邊占空比 D， D 由超前臂和滯后臂開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位差決定 : ①原邊占空比由移相控制決定； ②副邊占空比 DeefD。 充電模式時(shí)，變換器的電壓增益 (推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)第三章 )為： V2/V1=Deef/n (28) 功率傳輸階段，變壓器高壓側(cè)漏電感電流最大值為 Ip，最小電流為 I1，此期間變壓器提供充電電流 Io，所以折算到高壓側(cè)的充電電流 Io/n 可以近似為高壓側(cè)電感電流的平均值。 為減少占空比損失，可減小電感 Lr1，但是會(huì)影響實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的 ZVS 開(kāi)通。因此，要選取合適的電感 Lr1。由于占空比的損失，為保證輸出電壓，必須減少變壓器變比 n，而變比的減小又帶來(lái)新的問(wèn)題：①原邊電流增加，開(kāi)關(guān)管峰值電流增加，通態(tài)損耗增加；②副邊整流管耐壓增加；③占空比損失增加。 雙向 DCDC 變換器在燃料電池能量管理中的應(yīng)用 16 四、雙向全橋 DC/DC 變換器的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 該變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示，該結(jié)構(gòu)可以看成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，基本結(jié)構(gòu)包括：高頻整流 /逆變單元、隔離變壓器、保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路、控制電路。 主電路參數(shù)設(shè)計(jì) 電路參數(shù)見(jiàn)概述部分； 主變壓器的設(shè)計(jì) 變壓器的設(shè)計(jì)主要包括：磁心選擇、匝數(shù)計(jì)算等。 該全橋直流變換器的兩個(gè)半周期的工作都用同一個(gè)原邊繞組，磁心和繞組使用率都很高。為了減少磁化電流，最好原邊繞組匝數(shù)多些，電感量大些。因此選擇高磁合金材料的磁心比較合適，而且磁心不帶氣隙。具體設(shè)計(jì)步驟如下： ①磁心選擇 根據(jù)放電功率、效率，確定變壓器輸入、輸出功率。計(jì)算式如下： 雙向 DCDC 變換器在燃料電池能量管理中的應(yīng)用 17 根 據(jù)輸入功率確定合適的磁心型號(hào)。再由磁 心型號(hào)得到變壓器在開(kāi)關(guān)頻率為20kHz時(shí)的最佳磁感應(yīng)強(qiáng)度 B。則磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化量為 ?B=2B。 ②原邊線圈匝數(shù)的計(jì)算 原邊線圈匝數(shù)計(jì)算式如下： 其中 : V1— 原邊線圈所加直流電壓，在有波動(dòng)時(shí)取最小值（ V）； ton— 最大導(dǎo)通時(shí)間（ s181。）； ?B— 總磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量（ T）； Ae— 磁心有效面積（ 2mm）。 ③原副邊匝數(shù)比 n 的計(jì)算 原副邊匝數(shù)比