数字控制双向半桥DCDC变换器的设计Word下载.docx

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1.1研究内容

随着科技和生产的发展，双向DC-DC变换器的需求逐渐增多。

人们对它的研究越来越感兴趣。

本章简单介绍了双向DC-DC变换器的原理和用途。

针对双向DC-DC变换器的研究现状，阐明了开展双向DC-DC变换器研究的目的和意义。

1.2双向DC-DC变换器的原理

双向DC-DC变换器可广泛的应用于直流不停电电源系统、航天电源系统、混合电动汽车中的辅助动力供应系统、直流电机驱动系统及其它应用场合[1-3]。

在这些需要能量双向流动的场合，两侧都是直流电压源或直流有源负载，它们的电压极性保持不变,希望能量双向流动，也就是电流的双向流动。

这就需要双向DC-DC变换器。

其结构如图1-1（a）所示，在两个直流电压源之间有一个双向DC-DC变换器，用于控制其间的能量传输[4]。

I1和I2分别是V1和V2的平均输入电流。

双向DC-DC变换器可以根据实际需要来控制能量的流动方向，即可以使能量从V1传输到V2（此时I1为负，而I2为正），也可以使能量从V2传输到V1（此时I1为正，而I2为负）。

用通常的单向DC-DC变换器也可以实现能量的双向流动，但是这时就需要将两个单向DC-DC变换器反并联，因为通常的单向DC-DC变换器中主功率传输通路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。

其结构图如图1-1（b）所示，单向DC-DC变换器①被用来控制处理从V1到V2的能量流动，当需要能量反向流动时就使用单向DC-DC变换器②。

与采用两个单向DC-DC变换器反并联来达到能量双向传输的方案相比，双向DC-DC变换器应用同一个变换器来控制能量的双向传输，使用的总体器件数目少，且可以更加快速地进行两个方向功率变换的切换。

再者，在低压大电流场合，一般双向DC-DC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DC-DC变换器具有效率高、体积小、动态性能好和成本低等优势。

（a）双向DC-DC变换器结构（b）双单向变换器结构

图1-1双向DC-DC变换功能框图

Fig1-1Blockdiagramofbi-directionalDC-DCconverter

1.3双向DC-DC变换器的应用

1.3.1不停电电源系统

直流不停电系统有两种系统结构。

一种系统结构如图1-2所示，直流总线上直接并蓄电池组。

当外部交流输入电源掉线时，负载由蓄电池来提供能量。

正常供电时，交流输入对蓄电池浮充。

由于蓄电池的电压变化范围很大，造成直流总线的电压也有较大的变化，很多直流负载对输入电压的稳定度有一定的要求，所以需在直流负载与直流总线之间加入DC-DC变换器，以保持直流总线电压的稳定。

因此，正常供电时，交流电能要经过AC-DC和DC-DC二级变换，这样降低了效率。

图1-2含双向DC-DC直流变换器的直流不停电系统

Fig1-2DCUPSincludingthesingleDC-DCconverter

另一种系统结构如图1-3所示，蓄电池组经过双向DC-DC变换器并到直流总线上[5][6]。

正常供电时，交流输入电源除了对负载供电外，还通过双向DC-DC变换器对蓄电池充电。

当外部交流输入电源掉电，双向DC-DC变换器工作在反向方式，使蓄电池放电。

这种系统结构的好处：

1）这种结构把电池充电的工作分离出来，正常供电时，经过一级AC-DC变换，向负载供电，提高了变换效率；

2）运用双向DC-DC变换器单独控制蓄电池的充放电，更容易优化充放电过程，可以延长蓄电池的寿命。

图1-3含双向DC-DC直流变换器的直流不停电系统

Fig1-3DCUPSincludingthebi-directionalDC-DCconverter

同样道理，双向DC-DC变换器还可成为某些AC-UPS（交流不停电电源系统，也就是通常所说的UPS）中的中间直流总线与蓄电池之间的变换环节，图1-4是在线式交流不停电电源系统的系统结构。

蓄电池组也是经过双向DC-DC变换器并到直流总线上。

图1-4双向DC-DC直流变换器结构的交流不停电系统（在线式）

Fig1-4ACUPSincludingbi-directionalDC-DCconverter（online）

1.3.2新能源发电系统

卫星及空间站等航天系统的能源主要由太阳能电池阵列和蓄电池组成，航天系统对电源的体积和重量有严格的要求（如图1-5），高功率密度的双向DC-DC变换器成为电源系统关键性部件[7][8]。

为了发挥光伏电池的效能，太阳能电池列阵工作在最大功率跟踪点。

当日光充足时，太阳能阵列除保证负载的正常供电外，将多余能量通过双向DC-DC变换器存储到蓄电池中；

当日光不足时，太阳能阵列不足以提供负载所需的电能，双向DC-DC变换器工作在反向模式，由蓄电池向负载提供电能。

双向DC-DC变换器充当蓄电池的充电器和放电器，它设计的好坏直接影响到航天器上蓄电池的利用效率和寿命长短。

另外适合于偏远地区应用的太阳能照明装置中，双向DC-DC变换器可以减少变换器的个数，从而提高整个系统的效率[9]。

图1-5航天直流电源系统

Fig1-5DCpowerforthespacestation

1.3.3电动汽车、各种重型车辆的车载电源系统

电动汽车、各种重型车辆的车载电源系统中，双向DC-DC变换器的应用越来越广泛。

本论文即是要研究应用在该领域的一种双向DC-DC变换器。

在电动汽车中，电动机是典型的有源负载，从其输入端来看既能输出能量也可吸入能量。

双向DC-DC变换器的一大应用场合便是电机驱动系统，特别是应用蓄电池为能源的电机驱动系统[3][9-13]。

由于电动汽车的电机运转速度极宽，频繁加减速，而且蓄电池的电压变化范围很大，相对于一般的驱动方法，使用双向DC-DC变换器可以明显提高电机的驱动性能;

一方面，双向DC-DC变换器可以将制动刹车时的动能转化而来的电能回馈给蓄电池，这样，不但可以节省能源，提高效率，优化电机控制性能，同时还可以避免在使用单向DC-DC变换器时出现的变换器输出端出现浪涌电压等不利情况。

在坦克、装甲车等重型车辆中，仍采用柴油或汽油发动机驱动，发动机带动发电机发电，作为车中其他设备的供电电源，但发动机的启动需要电源。

通常的办法是，发动机启动时由蓄电池（12V或24V）经双向DC-DC变换器升压至300V给电机供电，让电机工作在电动状态带动发动机启动，发动机启动完毕，电机即由电动状态转变为发电状态，为车中其他设备提供电源，同时经双向DC-DC变换器给蓄电池充电。

对直流电机来说，可采用图1-6所示的双向DC-DC变换器直接驱动。

对于交流电机、同步电机、永磁无刷电机等电机则采用间接驱动的方法，双向DC-DC变换器可以调节逆变器的输入电压，并使得回馈制动控制容易。

近年来，一些低输入感抗的电机应用越来越多，主要得益于它的功率密度高、转动惯量低、转动平滑以及成本低等优点。

但对于通常的固定电压驱动的方式来讲，低感抗必然意味着会出现大的电流纹波，同时造成大的铁耗和开关损耗，这时使用双向DC-DC变换器就可以解决这个问题。

图1-6双向DC-DC变换器直接驱动直流电机

Fig1-6Bi-directionalDC-DCconverterdrivingDCmotordirectly

燃料电池和混合能源电动汽车也需要双向DC-DC变换器，如图1-7所示，燃料电池系统中一般含有一个压缩电机消耗单元，正常运转情况下，该压缩机可由燃料电池输出电压供电，但在电动汽车启动时，燃料电池电压尚未建立起来，需要辅助电源来供电。

这个辅助电源有两个功用：

1）在燃料电池发电前通过双向DC-DC变换器升压，提供高电压总线的能量；

2）当汽车制动时，逆变器和双向DC-DC变换器再将再生制动的能量存储到蓄电池中。

双向DC-DC变换器在电动汽车和车载、舰载系统中的应用还包括为弥补蓄电池瞬时输出功率有限的缺陷，通过加入超容电容和双向DC-DC变换器达到增加瞬时功率，从而提高系统的加减速性能[14][15]。

图1-7燃料电池电动汽车电力驱动系统

Fig1-7Powerdrivingsystemoffuelcellvehicles

1.3.4蓄电池能量储备系统

双向DC-DC变换器还应用于蓄电池能量储备系统[16]，以达到电网调峰、高效用电以及提高电网质量的目的，同时也可加入有源滤波功能。

另外，双向DC-DC变换器也可应用于地面的大功率直流储能系统中。

1.4双向DC-DC变换器软开关技术现状

硬开关双向DC-DC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MOSFET）的体内寄生二极管有关，因它关断过程中的反向恢复电流而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DC-DC变换器的应用场合的特殊性，一般需要其体积尽可能减小，重量尽可能减轻。

为提高其功率密度和动态性能，双向DC-DC变换器正向高频化方向发展，而高频化必需要解决好开关损耗问题。

近年来，国内外在双向DC-DC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。

软开关技术给DC-DC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。

软开关技术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。

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DC-DC变换器中，因为当能量传输方向改变之后，软开关的谐振时序通常会改变，这样不但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。

因此在某些应用场合实现双向的软开关较为困难，所以，在某些应用场合，变换器在功率传输大的方向上使用软开关工作模式，而在功率传输小的方向上仍以硬开关工作模式为主。

近年来，己有不少软开关双向DC-DC变换器电路拓扑出现，现讨论几种:

1）谐振类双向DC-DC变换器[17]

谐振技术是出现较早的软开关技术。

它降低了开关器件的开关损耗，但该变换器需要变频工作，使得变换器的闭环控制器的优化设计困难，而且很难削减变换器的噪声。

如图1-8所示。

图1-8ZCS/ZVS-SCyRBuck/Boost双向DC-DC变