【文章內(nèi)容簡介】 提供直流母線的電壓；②當汽車制動時，希望制動能量能夠回饋并得到合理的應用。采用蓄電池作為輔助供電電源，通過雙向 DC/DC變換器可以滿足這兩個方面的要求：快速啟動燃料電池；將制動能量回饋給蓄電池。圖 為電動汽車燃料電池電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，雙向 DC/DC 變換器是此電源管理系統(tǒng)中的重要組成部分之一。為了和目前的汽車負載保持兼容 [12~14]，電池電壓一般為12V，直流母線電壓為 288V。蓄電池供電時，雙向 DC/DC 變換器工作在放電模式，輸入電池電壓波動，輸出穩(wěn)定電壓 288V，放電功率 ；蓄電池儲能時，雙向 DC/DC變換器工作在充電模式，將電能存儲于蓄電池中。上述領(lǐng)域中應用的雙向 DC/DC 變換器的共同特點是：變換器功率較大，變換器所連接的電路中一端是電壓較低的蓄電池，另一端的電壓較高。由于電壓等級差別較大，同時出于安全、輸出匹配等因素的考慮，這類變換器一般都采用變壓器進行低壓與高壓之間的隔離，即選用隔離型雙向 DC/DC 變換器。圖 電動汽車用燃料電池電源系統(tǒng)框圖此外，雙向 DC/DC 變換器還在航空電源系統(tǒng)、太陽能電池供電系統(tǒng)、光伏電池等場合應用 [2][15]。 雙向 DC/DC 變換器的現(xiàn)狀和發(fā)展 雙向直流變換器的現(xiàn)狀20世紀80年代初，為減輕人造衛(wèi)星太陽能電源系統(tǒng)的體積和重量，美國學者提出用Buck/Boost型雙向DC/DC變換器代替蓄電池充電器和放電器。此后人們對人造衛(wèi)星用蓄電池調(diào)節(jié)器進行了深入研究，并使之進入了實用階段。同時燃料電池 電壓箝位 控制器 壓 縮 機電 機 雙 向DC/ 變 換 器12V負載 驅(qū) 動電 機逆變器280V直 流 母 線12V蓄電池 儲能電容8香港大學陳清泉教授()也開展了電動車用雙向直流變換器的研究和試驗工作。1994年澳大利亞Felix 1994上發(fā)表文章 [16]，總結(jié)了不隔離雙向直流變換器的拓撲結(jié)構(gòu)。在6種單管非隔離直流變換器的開關(guān)管上反并聯(lián)二極管，二極管上反并聯(lián)開關(guān)管，即可構(gòu)成以下4種雙向直流變換器：BuckBoost、Buck/Boost、Cuk、SpepicZeta雙向直流變換器 [2]。隔離型雙向直流變換器有正激、反激、推挽、半橋、全橋等拓撲結(jié)構(gòu)。橋式直流變換器有兩類：一類是由雙電壓源型橋式直流變換器構(gòu)成 [2][15~17]，主變壓器兩側(cè)電路結(jié)構(gòu)對稱；一類是由電壓源型橋式直流變換器和電流源型橋式直流變換器構(gòu)成 [2][10~16]。這兩種橋式變換器均可具有軟開關(guān)特性?？刂品绞接袃煞N：①變壓器兩側(cè)開關(guān)管相移控制 [10~20]，如圖 所示，其中 表示變壓器等效電感，通1L過控制兩側(cè)變換單元之間的相位關(guān)系來調(diào)節(jié)兩個電源之間的能量傳輸大小和方向；②只對變壓器一側(cè)開關(guān)管進行控制，來調(diào)節(jié)向另一側(cè)傳遞能量的大小，另一側(cè)開關(guān)管用其反并聯(lián)二極管整流 [2][11]，或采用同步整流技術(shù) [21~26]，工作原理類似單向直流變換器。雙向全橋直流變換器適合中大功率場合，并且較容易通過移相控制方式實現(xiàn)軟開關(guān)，因此備受青睞。大量文獻 [1~4][7][10][27~32]對移相全橋變換器的工作原理、軟開關(guān)條件、實現(xiàn)軟開關(guān)的方式、數(shù)學模型、控制方法等幾個方面進行了深入研究，研究表明，全橋直流變換器現(xiàn)已成為中大功率直流變換器的主要拓撲結(jié)構(gòu)，該拓撲易于實現(xiàn)零壓開通的軟開關(guān)過程，損耗低，效率高。本文研究的對象即是電壓源型全橋直流變換器和電流源型全橋直流變換器組合而成的軟開關(guān)型雙向全橋 DC/DC 變換器。軟開關(guān)技術(shù)在雙向直流變換器中的應用，有利于雙向 DC/DC 變換器向小型化和模塊化方向發(fā)展。 相移控制雙向DC/DC變換器等效電路1V? 2V?1L9 雙向直流變換器的發(fā)展雙向直流變換器和電力電子變換器一樣，基本要求是：工作可靠性高、成本低、維修性好、體積小、重量輕、電氣特性好等 [1~2]?？煽啃允亲钪饕囊螅呛饬砍晒β实某叨?，通常以平均故障間隔時間，MTBF（以小時計）來表示，也可用平均故障間隔時間的倒數(shù)——故障率，即每一千工作小時的故障次數(shù)來表示。高的可靠性來自良好的設計、認真的制造、全面的檢查、合理的使用、準確地安裝和正確的維修。電力電子變換器應該在合適的供電條件下不依賴于其他條件正常工作。變換器的故障不應導致給它供電電源的故障，也不應引起與其連接的其他設備的故障。變換器的故障應不導致不安全狀態(tài)，不擴大故障，更不造成火災等嚴重事故。成本和所需費用是衡量變換器的第二個重要標準，也是提高產(chǎn)品競爭力的主要因素，應盡量在滿足產(chǎn)品技術(shù)要求的前提下減少成本費用。維修性好壞是衡量產(chǎn)品的第三個重要因素。市場需求一般是免維修的或者是維修性好的產(chǎn)品。體積小、重量輕是產(chǎn)品設備的基本要求。必須通過精心的設計、合理的安裝以減小體積和重量。電力電子變換器的電氣性能包括供電電源的適應性、輸出電能質(zhì)量、電能轉(zhuǎn)換效率和電磁兼容性等方面。提高電能轉(zhuǎn)換效率是電力電子變換器永恒的追求。低損耗，就會有低溫升和小的體積重量，因而就有高的可靠性。電磁兼容性既要考慮到不受外界干擾信號大的影響，又要不危害其他設備的正常工作。綜上所述，電力電子變換器的發(fā)展方向是：提高功率密度、提高效率、減少污染、模塊化結(jié)構(gòu)。雙向 DC/DC 變換器是電力電子變換器的組成部分，其發(fā)展方向基本相同。但雙向 DC/DC 變換器是電力電子變換器的一個新分支，是伴隨航空航天、電動汽車等新的無污染能源科技的發(fā)展而發(fā)展起來的，其前景十分廣闊。 本文的研究意義和主要工作 本文的研究意義雙向 DC/DC 變換器這種典型的集雙個單向 DC/DC 變換器于一體的變換器，有著重要的研究價值。目前雙向 DC/DC 變換器的研究工作主要集中在電路拓撲和控制方10式兩個方面。文獻[2][4~20]中對雙向 DC/DC 變換器已有較深入的研究，本文主要以應用于中大功率場合的隔離型雙向全橋 DC/DC 變換器為研究對象，變換器有 8 個功率開關(guān)管，高壓側(cè)是電壓源型全橋結(jié)構(gòu)，低壓側(cè)是電流源型全橋結(jié)構(gòu)。目前對雙向DC/DC 變換器的控制模型方面的研究較少，因此研究并得出雙向全橋 DC/DC 變換器的控制模型具有重要的價值。 本文的主要工作本文的主要研究對象為數(shù)字化控制電壓電流組合型隔離型雙向全橋 DC/DC 變換器，針對該變換器做了以下工作：第一章介紹雙向 DC/DC 變換器的概念原理、構(gòu)成方法、分類及應用領(lǐng)域，并對其研究現(xiàn)狀和發(fā)展作了簡略的介紹，并給出了本文的主要研究對象為隔離型雙象全橋 DC/DC 變換器。第二章詳細介紹雙向全橋 DC/DC 變換器的充電模式和放電模式下的工作原理，并分析了充放電模式下存在的一些典型問題及相應的解決方法。第三章是對雙向全橋 DC/DC 變換器的控制模型的研究。首先利用狀態(tài)空間平均法建立了帶阻性負載非隔離型雙向 BuckBoost 變換器的小信號模型。然后推得帶蓄電池有源負載的隔離型雙向全橋 DC/DC 變換器的小信號模型。最后給出了變換器的閉環(huán)控制輸出結(jié)構(gòu)框圖，分析了其穩(wěn)定性及 PID 控制器設計過程。第四章介紹雙向全橋 DC/DC 變換器的系統(tǒng)設計，包括主電路主要元器件的參數(shù)設計，輔助電路和控制電路的設計。第五章介紹變換器的軟件流程和實驗結(jié)果及分析。并介紹了數(shù)字 PID 控制器的算法實現(xiàn)過程。最后對全文做了總結(jié)，并對進一步的工作方向作了展望。112 雙向全橋 DC/DC 變換器 引言本文主要研究對象是帶隔離變壓器的雙向全橋 DC/DC 變換器，該變換器隔離變壓器兩側(cè)均為全橋結(jié)構(gòu)：高壓側(cè)為電壓型全橋結(jié)構(gòu)；低壓側(cè)為電流型全橋結(jié)構(gòu)。該拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：主變壓器只有一個一次繞組和一個二次繞組，通過正、反向的電壓得到正、反向磁通，變壓器鐵心和繞組得到最佳利用。全橋結(jié)構(gòu)使得功率開關(guān)管的最大的反向壓降減半 [1][33]。該拓撲結(jié)構(gòu)的缺點：需要的功率元件比較多。在導通的回路上至少有兩個管壓降，因此效率有所降低，由于變壓器兩側(cè)均有四個開關(guān)管，損耗也略有增加。 雙向全橋 DC/DC 變換器的工作原理圖 雙向全橋 DC/DC 變換器主電路 變換器主電路拓撲帶隔離變壓器的雙向全橋 DC/DC 變換器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖 所示。圖 中變壓器兩側(cè)整流/逆變單元均是全橋型結(jié)構(gòu)，高壓側(cè)的為電壓型全橋結(jié)構(gòu)，低壓側(cè)為電流型全橋結(jié)構(gòu)。兩側(cè)可以實現(xiàn)能量的雙向流動 [2]。圖 中， 為高壓側(cè)母線負載；變壓器兩側(cè)繞組匝數(shù)分別為 、 ，匝比為1R 1N2； 為變壓器高壓側(cè)等效漏感或與外串電感之和； 為變壓器低壓側(cè)等12:nN?rL 2rL效漏感或與外串電感之和； 、 分別為變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)所串隔直電容；1bC2 V2D1 T n:1Lr1CD3CD2CD4CN12Q1Q2Q3Q4V1 Cb D5Lr2CD7CD6CD8CQ5Q6Q7Q8CbK1 充 電 模 式放 電 模 式1RfC fL12在充電模式時是濾波電感，放電模式時是儲能電感； 是高壓側(cè)的濾波穩(wěn)壓電容。fL fC該變換器有兩種工作模式：當供電電源 正常時，開關(guān) 閉合， 提供母線負1V1K1V載 能量，同時通過變換器給蓄電池 充電，稱為充電模式；當供電電源 故障時，1R2開關(guān) 斷開，蓄電池 作為應急供電電源通過變換器升壓后提供高壓側(cè)母線負載K2V能量，稱為放電模式。1充電模式時，開關(guān)管 有驅(qū)動信號，并采用移相 PWM 控制方式，而開關(guān)管14Q:則不加驅(qū)動信號，只利用其反并聯(lián)二極管 實現(xiàn)輸出全橋整流。放電模58Q: 58D:式時，開關(guān)管 有驅(qū)動信號，當四個開關(guān)管同時導通時電感 儲能，當對管 58 fL5Q、 （或 、 ）同時導通時，向高壓側(cè)負載傳遞能量，實現(xiàn)變換器的升壓功能，867而開關(guān)管 則沒有驅(qū)動信號，只利用其反并聯(lián)二極管 實現(xiàn)輸出全橋整流。14: 14:下面詳細說明這兩個工作模式時電路的工作原理。 充電模式工作原理 等效電路當變換器處于充電模式時，開關(guān) 閉合，供電電源 向母線負載 正常供電，1K1V1R同時向電池充電。正常供電時，負載 所消耗的能量是恒定的，對雙向變換器的傳R遞功率沒有影響，濾波電容 上的電壓保持為 且恒定不變的， 對變換器功率變fC1fC換也沒有影響，故分析該模式工作原理時，可以不計母線負載 和濾波電容 。因1f此，充電時主電路等效電路如圖 (a)所示，由圖可見充電模式等效電路類似全橋直流變換器 [1][34]，由全橋逆變器和輸出全橋整流濾波電路構(gòu)成，因此，其工作原理的分析可以參考全橋直流變換器工作原理。所不同的是充電模式時負載是有源負載蓄電池。如果有源功率開關(guān)管的導通時間有差異，則加在變壓器高壓側(cè)的交流電壓就會正負電壓幅值相等、脈沖寬度不相等，其中將含有直流電壓分量，會在變壓器高壓側(cè)繞組中產(chǎn)生很大的直流電流，并可能造成磁路飽和而使變壓器不能正常工作，因此，通常在逆變器輸出和變壓器高壓繞組之間串入隔直電容 [1~3]（如圖 (a)中的） ， 是變壓器高壓側(cè)等效漏感與外串電感之和。1bCrL13 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 [2~3]。在橋式直流變換器中，移相控制方式易實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓（ZVS）開通，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 [1~2]一個橋臂的兩個開關(guān)管的驅(qū)動信號 1800互補導通且中間有死區(qū)，兩個橋臂的導通角相差一個相位，即移相角。通過調(diào)節(jié)移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓。圖 (b)中 、 的驅(qū)動信號超前于 、 一個相位，稱 、 組成的橋臂1Q23Q41Q2為超前橋臂， 、 組成的橋臂為滯后橋臂。圖 (a)中的開關(guān)管 上不僅34 4:有反并聯(lián)二極管 ，還有并聯(lián)電容 ，它們可以是開關(guān)管的結(jié)電容，或外1D:14C:加的小電容。 的作用是使開關(guān)器件在關(guān)斷時其兩端電壓從零緩慢上升，實現(xiàn)4C軟關(guān)斷，減少關(guān)斷損耗。在開關(guān)器件關(guān)斷、開通過程中，電容 與 諧振，使14C:1rL開關(guān)管在施加驅(qū)動信號開通時其兩端電壓已為零，從而實現(xiàn)零電壓開通，無開通損耗。(a)D1 T n:1 LfLr1C1 D3C3D2C2 D4C4D5D7D6D8N1N2Q1Q2Q3Q4V1 Cb1ABCD V214(b)Q1 Q2Q3Q4 Q4Q1驅(qū)動信號vAB00 t1t0t2t3t4t5 t6t7t8t9t10t1 t12t3ipvCD V1V1/nV1 I1I2IpQ14D58onC12Q4D58on2458onD2C34D58on235678onQDDQ23D67oI3I5 Ipdtdt Tt?15(c)圖 雙向全橋 DC/DC 變換器充電模式 運行模式分析為了使圖 (a)電路工作原理的分析簡明、清晰，假定：(1)所有功率開關(guān)管均為理想器件，忽略正向壓降及開關(guān)時間；C3Q3+V1Q2C1Q1C3Q3+V1Q2C1Q1D2C4Q4D2 Q3+V1Q2C1Q1D2 D3C4Q4+V1C1Q1 C4Q4模 態(tài) 2[t1~t2]模 態(tài) 3[t2~t3] 模 態(tài) 4[t3~t4]模 態(tài) 5[t4~t5] 模 態(tài) 6[t5~t6]C3Q3C2+V1Q2C1Q1 ip模 態(tài) 1[t0~t1]+V1C1Q1C4Q4ipipip ipipQ4 Q4Q3 Q3Q2 Q216(2)所有電感、電容和變壓器均為理想元件；(3) ， ；12leadC?34lagC?(4)只要濾波電感 比較大，且 （ 為變壓器匝比），在一個開關(guān)fL21/frLn:周期中電流 變化不大，可以近似為恒定不變。ILf圖 (b)是該全橋變換器的充電模式時的主要工作波形 [1~3][33]，在一個開關(guān)周