新型大功率双向DCDC变换器的研究.docx

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新型大功率双向DCDC变换器的研究

新型大功率双向DCDC变换器的研究

新型大功率双向,;,,,变换器的研究摘要时至今日，,,,,,变换器作为电源系统中为设备提供直流动力的主要装置，面临着体积更小，重量更轻，效率和可靠性更高等诸多要求。

促使变换器必须实现变换器的工作频率由低频向高频的转变。

而硬开关由于很多问题而不能胜任。

近年来开展的软开关技术为克服上述缺陷提供了一条有效途径。

本文作者在查阅国内外大量双向,,,,,变换器资料的基础上，采用一种新型双向,,,,,变换器的拓扑结构，把软开关技术和移相控制,,,技术以及双向,,,,,变换器技术有机结合在一起，有效地降低了电路的开关损耗和开关噪声，为变换器装景提高开关频率、效率以及降低尺寸及重量提供了良好的条件。

同时，还保持了常规的硬开关全桥,,,双向,,,,,变换器中拓扑结构简洁、元器件的电压和电流应力小等一系列优点。

在研究过程中采用仿真软件,,,,,,对设计方案进行了初步的仿真研究，验证了拓扑结构的可行性。

在此基础上进行了实验研究，仿真和实验结果表明，该装嚣升压和降压只采用同一一个主电路，即可实现能量的双向流动，且具有低开关损耗和较高的动态响应。

本文还对控制器的设计进行了介绍，对软件的设计思路进行了说明，给出了从单片机软件流程图和程序清单。

整个系统采用,，,单片机进行控制，具有线路简单，性能可靠的特点。

关键词:

移相控制双向,,,,,软开关,,,单片机,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,—,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,，,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,;,,,？

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,,,,,,,,,,,,、,,,,,,,;,,,,,,,,—,,、,,,,,,,,;,,,,、,,,、,,;,,;,,,,,,,独创性声明本人声明所晕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志和致谤，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，也不包含为获得盒蟹兰些态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。

学位论文作者签字:

未,皇冠签字日期:

咖悔牛月。

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本人授权金月,王些太学可以将学位论文的全部或部分论文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。

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蜥一致谢本文是在导师葛锁良副教授的悉心指导下完成的，两年多来，葛老师无论是在学习、科研还是日常生活中，都给予了我莫大的帮助、指导、鼓励和关心。

葛老师渊博的学识、严谨求实的科学作风、:

忘我的工作精神、谦虚和蔼的为人，都深深地感染和教育了我，使我一生受益。

在此谨向导师表达我最衷心的谢意、最诚挚的敬意和深深的祝福。

在两年半的求学生涯中，得到了许多老师和同学的关怀和帮助，在此耍向杜少武老师表示?

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我还要向院里所有教师致谢，感谢他们多年的栽培和扶持。

感谢他们在各方面给予的关怀和帮助，感谢他们在我研究生学习阶段给予的谆谆教诲和指导。

另外，我还要向关心和帮助我的同学们表示深深的谢意，我们互相学习，共同进步，从他们那里我学到许多宝贵经验和知识，他们是张国兵、刘保颂、会波、后俊、李高洁等同学。

还要感谢我的父母和姐姐在我背后无私的、默默的关爱。

这无时不在温暖

和鼓舞着每一个漂泊他乡的学子。

最后，在此感谢审阅、评议本论文及参加论文答辩的专家和老师们。

作者:

刘文慰,,,,年,月第一章概述电力电子技术是研究电能变换原理与变换装置的综合性学科，它利用功率半导体器件和无源功率元件、微处理器及大规模集成电路、变换理论、传感与信息处理技术、现代控制理论、计算机仿真与辅助设计技术，它以功率变换电路为核心对电能进行变换与控制。

整个电路可以分为功率级和控制级两个部分。

功率级设计的首要任务是根据不同的应用选择相应的变换拓扑，变换拓扑的选择往往要兼顾电力半导体器件的选择。

电力半导体器件是具体电路能否实现的关键，从某种意义上讲，电力半导体器件已经成为电力电子技术发展的瓶颈，在低成本、高功率密度电源设计中，电力半导体器中的选择尤为重要。

而控制级的设计主要根据对性能指标要求的不同选择相应的控制方法，功率变换的控制方法主要有电压型控制方法、峰值电流型控制方法、平均电流型控制方法、和,,控制方法等。

电力电子器件、变换拓扑电路和控制技术是进行电力电子技术研究的三个主要方面。

开关电源可以简单地认为是由功率级和控制电路组成，功率级是功率变换的主体，主要是通过开关器件和电感、电容等器件实现功率变换，它的主要特点是通过调节开关器件的工作状态，来取得所希望的功率变换和一定的输出。

开关电源的主要组成部分是开关型,;—,;变换器，它是整个变换器的核心。

这里主要介绍,;—,,变换器。

,—,,变换器的基本拓扑分为非隔离式和隔离式两种。

非隔离式变换器的输入到输出之间没有电气隔离，其拓扑主要有:

,;,、,,,,,、,,;,—,,,,,、,,,、,,,,、,,,,;等。

隔离式变换器利用变压器实现了输入到输出的电隔离，其拓扑主要有:

单端正激变换器、单端反激变换器、推挽变换器、半桥变换器和全桥变换器等九引。

另外根据,;—,;变换器的工作方式，,;—,;变换器可以分为:

，,，,,变换器、谐振变换器、软开关,,,变换器和零转换,,,变换器等。

（,功率变换技术,（,（,,,,交换技术脉宽调,,,,,技术（相对于软开关技术，,,,也称为硬开关）由于其电路简单、控制方便而得到了广泛应用。

,,,年美国硅通用公司（,,,,;,,,,,,,,,）生产出单片集成控制芯片,,，,,,，称为脉宽调制器。

从此，,,,技术的应用和发展开始进入相对成熟的阶段。

目前应用,,,技术的变换器运行的最佳频率范围是,,—,,,,,（,,,,,,作为开关管），在这个范围内，整个系统无论体积、重量、可靠性和价格都基本实现了最佳。

但是，常规,,,技术的固有缺陷限制了其进一步的高频化，表现在:

（,）在开关器件导通和关断的过程中，电压和电流的波形有重叠，产生开关损耗，并且损耗随着开关频率的提高龃螅唬ǎ玻?

缏返募纳绺泻图纳缛菰诟咂凳被岵现氐牡缪辜夥搴屠擞康缌鳌,保保残痴癖浠患际?

谐振变换技术可以使开关器件在零电压或零电流的条件下进行开关状态的转换。

从而大大降低开关损耗。

谐振变换电路主要有串联谐振、并联谐振、准谐振、,类谐振等。

这类变换器利用谐振原理使开关管两端的电压或流过开关管的电流在一个周期内有一段时间呈正弦规律变换，电压和电流波形错开，从而实现了零电压开关（,,,）或零电流开关（,,,）条件，使得开关管自然导通或关断。

与,,,变换器相比，谐振式变换器具有如下优点:

（,）寄生参数被纳入谐振元件后，大大降低了电路中的,,,,,或,,,,,;储存在寄生电感和寄生电容中的能量可以通过谐振回馈到电网中，而不是被吸收电路消耗掉:

（,）实现了零电压开关或零

电流开关，使得开关损耗明显减小;（,）有源谐振波形与方波相比，谐振分量大大减小，因此减小了变换器中的电磁干扰。

谐振式变换器的主要缺点有:

（,）功率电路拓扑复杂，在不同的负载条件下，存在着不同的工作模式;（,）,,,、,,;一般都是变频控制，控制电路复杂;（,）谐振波形使得开关管的电压或电流应力比,,,变换器的还要大。

针对以上这些局限性，人们又提出了软开关技术。

（,（,软开关技术软开关变换器是,,,和,,,开关变换器的综合:

在,,,变换器中增加一个辅助开关，以控制谐振网络的工作，使变换器在一个周期内，一部分时间按,,,或,,,准谐振变换器工作，另一部分时间按,,,变换器工作。

因此它兼有谐振变换技术和,,,变换技术的特点:

（,）谐振阶段只发生在开关管的开关过程中，从而既保证了功率半导体器件的软开关工作条件，又使得开关管只承受较低的电压和电流应力;（,）能量传输的主要形式采用了,,,变换技术，以减小谐振通态损耗:

（,）零电压、零电流开关条件不受输入和负载变化的影响，所以从理论上讲适用于任何传统,,，,变换器。

（,开关电源的控制方法开关电源的控制电路是通过采样功率级的状态信号，输出开关管的驱动信号，利用功率级的当前状态来调节开关的占空比，使系统能够在各种扰动下保证相对稳定的输出，从中可以看出开关电源的控制电路在整个系统中的作用是至关重要的。

开关电源的其它功能，如遥控、过流保护等功能都是通过控制电路来实现的。

开关电源的控制方法主要有:

电压型、峰值电流型、平均电流型,,,,型等。

（,（,电压型控制方法传统的,,,型,,—,,变换器常采用电压型控制方法，它是,,世纪,,年代后期开关稳压电源刚刚开始发展时所采用的第一种控制方法。

它只有一个电压反馈闭环?

采用脉冲宽度调制法来得到当时的脉冲宽度，逐个脉冲的限流保护电路必须另外附加。

它具有在脉冲宽度调节时有较好的抗噪声裕量、占空比调节不受限制等优点。

但它对输入电压的变化动态响应较慢、补偿网络设计较为复杂。

（,（,峰值电流型控制方法【,,,峰值电流控制方法（,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，）简称电流控制方法，它的概念源于,,世纪,,年代后期具有原边保护功能的单端自激式反激开关电源。

,世纪,,年代初期，电流型控制,,,集成电路（,,,,,,、,,,,,,）的出现，使电流控制迅速椎广应用。

它是一种固定时钟开启、峰值电流关断的控制方法，是双闭环控制系统，电压外环控制电流内环。

它具有控制环易于设计、瞬时峰值电流限制功能等优点。

但也存在容易发生次谐波振荡、抗噪声差、电路拓扑受限制等缺点。

（,（,平均电流型控制方法平均电流控制方法（,,,,,,,,,,,,,,—,,,,,,,,,,,）的概念产生于,,世纪,,年代后期，它成熟应用于,,世纪,,年代后期高速,,,专用的、具有高,,,,,动态响应供电能力的低压大电流开关电源中。

它具有不需要斜波补偿、电路抗噪声性能优越、适合任何电路拓扑对输入或输出电流的控制、易于实现均流等优点。

但也存在电流放大器在开关频率处的增益有最大限制、双闭环放大器带宽、增益等配合参数设计调试复杂等缺点。

（,（,,,控制方法,,控制方法扔然是双环控制，只是用输出电压的纹波代替了电流型控制方法中的电流纹波。

,控制方法不但具有电流型控制方法的输入电压动态响应速度快、闭环系统稳定性高等优点，而且对负载的变化具有超快的响应速度。

但是,,控制方法没有自动限流的功能，同样需要增加斜坡补偿来消除占空比大于,,,时的开环不稳定和次谐波振荡。

,,,,变换器作为开关电源

中的重要组成部分，人们对其性能、重量、体积、效率和可靠性也提出了更高的要求，,,,,,变换器将输入的直流电压，经过高频斩波或高频逆变后，通过整流和滤波环节，转换成所需要幅值的直流电压?

它在家用电器、工业控制、通信、国防、交通等领域都有广泛的应用。

随着近年来电力电子技术的迅猛发展，新的电子元器件、新的变换技术、新的控制理论和软件的不断涌现，使得高效率、高功率密度、高质量输出和高可靠性成为包括,;,,;变换器在内的备种功率变换器不断追求的目标，同时也使这一目标的实现成为可能。

在,,,,,变换器中，高功率密度和大容量化是其主流发展方向之一。

在一些特殊的应用领域，例如需要蓄电池供电的场合、新能源技术中太阳能与燃料电池的研究与开发、电动汽车的研究与开发和军工等领域，需要将十几伏至二十几伏的低压直流电，转换成几百伏的高压直流电，供给逆变器或其它负载使用。

低压大电流输入情况下的,,,,,变换器急待解决的一个问题就是效率问题，即如何降低损耗。

由于关于低压大电流输入,,,,,变换器应用的的研究较少，阻碍了低压大电流输入、高压大功率输出的,,,,,变换器的的应用和发展，有必要对这类变换器进行研究和探讨，选择出合理的方案，研制出在低压大电流输入情况下的高功率密度，高可靠性、高效率、大容量的,,,,,变换器。

本论文正是针对这一背景提出来的。

（,双向,,,,,变换器的原理【,,我们所熟悉的,,,,,变换器多数是单向工作的，如图,（,所示，由于单向,,,,,变换器中的主功率传输通道上一般都有二极管这个环节，因此能量经由变换器流动的方向只能是单向的，即能量流动是单向的，而不能双向流动，图，（,中的能量流向只能从,,传输到,,。

然而对于有些需要能量双向流动的场合，如果仍使用单向,,,,,变换器，则需要将两个单向,,,,,变换器反向并联，如图,（,所示，单向变换器,用来控制处理能量由,,传输到,,，单向变换器,用来控制将能量由,,传输到,,。

僮电路銮缦复袭，实际上两个变换器的功能可以由一个变换器来完成，即使用双向,,,,,变换器来实现能量的双向流动。

能量正向流动能量正向流动————————————?

（,,,,，,,,,）?

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————一能量反向流动图,（，单向,,,,,变换器功能框图图,（,双一单向变换器结构双?

颍模茫模变换器是指在保持变换器两端的直流电压极性不变的情况下，能够根据需要调节能量双向传输的,,—,,的变换器，如图,（,所示，双向变换器置于,,和,,之间，控制它的能量传输。

,和,,分别是,,和,,的平均输入电流。

根据实际需要，通过双向,,,,,变换器的变换控制，来实现能量从,,传输到,,（称为正向工作模式，,,,,,,,,,,,），或使能量从,,传输到,,（称为反向工作模式，,,;,,,,,,,,,）。

———,些趔盟—,,取向,;，,;变换器（,,,,（,,,,）,?

卜—丽甄丽丽——一图,（,双向,,,,,变换器结构从电路拓扑上来讲，单向,,,,,变换器可简化为含有图,（,所示的单向基本变换单元的基本原理结构，这个基本变换单元由一个有源开关,,和一个二极管,,构成，简单的实例如图,（,单向,,,,,,,,,,变换器，由于二极管,,的存在，能量只能从,,传输到,,。

而常规的双向,,,,,变换器可简化为含有图,（,所示双向基本变换单元的基本原理结构，此双向变换单元由两个并联反并联二极管的有源开关构成（这些反并联二极管也可以是有源开关器件体内的寄生二极管）。

图,（,为一基本双向,,,,,,,,;,,,,,,变换器，该变换器有两种最简单的

工作方式:

当,,保持关断，,,进行动作，变换器实际为一个,,,,,电路，能量从,,传输到,,，而相反，当,,保持关断，,,进行动作，变换器相当于,个,,;,电路，能量从,,传输到,,。

与传统的采用两套单向,,,,,变换器来达到能量双向流动的方案相比，双向,,,,,变换器应用同一个变换器来实现能量双向传输，使用的器件数目少，且可以更加快速地进行两个方向功率的切换。

而且在低压大电流场合，一般双向,,,,,变换器更有可能在现成的电路上使用同步整流器工作方式，有利于降低通态损耗。

总之，双向,,,,,变换器具有高效率、体积小、动态性能好、低成本等优势,,,。

一…,图,（,单向,,,,,基本变换单元图,（,双向,,,,,基本变换单元,,,,,幽,，,单向,,,,,,,,,,变换器图,（,双向,,,,,,,,;,,,,,,变换器,（,双向,,,,,变换器软开关技术现状综述硬开关双向,,,,,变换器在电流连续工作模式下会遇到严重的问题，这往往与有源开关器件（如,,,,,,）的体内寄生二极管有关，其关断过程中的反向恢复电流产生的电流尖峰对开关器件有极大的危害。

一种解决办法就是采用额外的串并快速二极管的方法，这样在一定程度上减小了反向恢复电流，但不足之处是除了增加半导体器件外，还会增加变换器的通态损耗，对非高压应用场合中提高效率并没有贡献。

由于双向,,,,,变换器的应用场合的特殊性，一般需要其体积和重量要尽可能地减小变轻，为提高其功率密度和动态性能，双向,,,,,变换器正向高频化方向发展。

而高频化必须解决好开关损耗问题，近年来，国内外在双向,,,,,变换器方面的研究重点也主要集中在这个方面:

高频化的同时如何使用软开关技术降低其开关损耗，从而提高变换器的效率【,,,。

众所周知，要减小装置的体积，提高功率密度，最有效的方法就是提高装置的工作频率。

目前而言，一些开关器件的工作频率都己经有了很大的提高，如功率,,,,,,可达数百,,,，，,,,也可达到,,,,,,，丽,，,则可达,,,,,以上。

而在实际应用中，提高开关频率的同时，开关损耗也随之增加，电路效率严重下降，电磁干扰也增大。

为解决这些问题，使开关器件在实际装置中能够有效可靠地实现高频工作，出现了软开关技术。

所谓软开关技术实际上就是在装置中实现开关器件的零电压开关（,,,）或零电流开关（,,,），正如名称那样，所谓,,,就是电力半导体器件的电压在零状态导通、断开的通断状态，,,,就是电力半导体器件的电流在零状态导通、断开的通断状态。

即在开关器件开通和关断的过程中使其承受的电压或流过的电流为零，这样就可以使其开关损耗为零（理想情况）。

软开关技术给,,,,,变换器的性能带来了很大的改进，它降低了开关器件的电压电流应力，软化了器件的开关过程，减小了开关损耗，提高了变换器的工作效率，为变换器的高频化提供了可能性，从而大大缩小了变换器的体积和重量，功率密度和动态性能得到了提高，另外，也有助于减小变换器对其它电子设备的电磁干扰【,,,,,。

,,,,、,,,,,变换器作为电源系统中为设备提供直流动力的主要装置，面临着体积更小、重量更轻、效率更高、可靠性更高等诸多要求。

要达到上述要求，变换器必须实现工作频率由低频向高频的转变。

众所周知，在硬开关方式下，不断提高变换器的工作效率会引起以下问题:

?

开关损耗大，它随开关频率的提高而急剧增加:

?

感性关断电压尖峰大，开关频率愈高，关断愈快，此电压愈高:

?

容性开通电流尖峰大，频率愈高，电流尖峰愈大，从而造成器件损坏;?

电磁干扰严重，随着频率的提高，

电磁干扰增大，影响电子设备的工作。

上述问题严重妨碍了开关器件工作频率的提高。

近年来开展的软开关技术为克服上述缺陷提供了一条有效途径。

它实际是利用电容和电感谐振，使开关器件中电流（或电压）按正弦或准正弦规律变化。

当电流过零时，使器件关断:

当电压过零时，使器件开通，实现开关损耗为零。

按照其控制方式，软开关技术可分为脉冲频率调制（,,,,,,,,？

,,;,,,,,,,,,,,，缩写为,,,）方式、脉冲宽度调制（,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，缩写为,,,）方式和脉冲移相控制（,,,,,,,,,,,,，缩写为,,）方式垆?

,,。

软开关技术在改善功率开关器件工作状态方面效果明显，使变换器的高频化成为可能，各类软开关技术在开关电源中也将得到广泛应用。

,,软开关变换器电路结构简单，但工作频率不恒定，给变压器、电感等磁性元件的优化设计带来一定的困难。

此类变换器适合于在负载、输入电压相对稳定的应用场合。

,,软开关变换器实现了恒频控制，大大方便了磁性元件的优化设计，,,,控制方式是软开关变换器中应用最广泛的控制方式，此类变换器适合于中、小功率应用场合。

移相全桥软开关变换器在不增加或增加很少元件的情况下，在具有传统全桥变换器中开关器件电压、电流额定值较低，功率变压器利用率高，输出功率大等优点的同时，实现了开关器件的软开关，而且采用恒频，电压、电流应力小，?

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亓恳约敖档偷绱鸥扇欧矫嫘飨浴,蚨葡嗳湃砜变换器非常适合于中、大功率应用场合。

但此类变换器有一个明显的缺点，即变压器副边存在占空比丢失现象，而且滞后桥臂的软开关范围受到负载、输入电压等多种因素的影响。

如何尽量减小副边占空比的丢失、增大滞后桥臂的软开关范围，仍然是移相全桥软开关变换器需要深入研究的课题。

多年来，单向直流变换器软开关技术取得了长足发展，但不能简单地把它们套用到双向,,,,,变换器中，因为当能量传输方向改变之后，那些曾为实现软开关的谐振时序通常会改变，这样不仅实现不了变换器的软开关工作，甚至可能增加开关应力和损耗。