数字控制双向半桥DCDC变换器的设计.docx

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数字控制双向半桥DCDC变换器的设计

0引言

电力电子技术是研究电能变换原理及变换装置的综合性学科，是电力行业中广泛运用的电子技术。

从上世纪60年代开始，电力电子技术作为一门新兴的学科得到迅速地发展，它是以研究和应用半导体器件来实现电力变换和控制的技术，是一门由电工、电力半导体器件以及控制技术相互交叉而出现的新兴学科。

电力电子技术研究的内容非常广泛，包括电力半导体器件、磁性元件、电力电子电路、集成控制电路以及由上述元件、电路组成的电力变换装置，其中电力变换技术是开关电源的基础和核心。

由于生产技术的不断发展，电力电子技术也随之迅速发展，使得双向DC-DC变换器的应用日益广泛。

尤其是软开关技术的出现，使双向DC-DC变换器不断朝着高效化、小型化、高频化和高性能化的方向发展，开关技术的应用可以降低双向DC-DC变换器的开关损耗，提高变换器的工作效率，为变换器的高频化提供可能性，从而减小变换器的体积，提高变换器的动态性能。

双向DC-DC变换器在直流不停电电源系统、航空电源系统、电动汽车等车载电源系统、直流功率放大器以及蓄电池储能等场合都得到了广泛的应用。

1概述

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。

及采用两个单向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，所以需在直流负载及直流总线之间加入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）中的中间直流总线及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，这往往及有源开关器件（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变换器

Fig1-8ZCS/ZVS-SCyRBuck/Boostbi-directionalDC-DCconverter

其中Lr，Cr为谐振电感和谐振电容。

而如图1-9所示的电路拓扑为恒频零电压开关多谐振双向DC-DC变换器，其中S1，S2均为零电压开关工作。

恒频多谐振双向DC-DC变换器在输入电压或负载变化时，都是通过调节变换器中两个开关管各自的开通持续时间来保证频率不变，并且仍能维持软开关工作。

谐振类变换器存在功率期间的电压、电流应力大，通态损耗高，软开关的负载范围受到限制等缺陷，还有谐振类变换器对器件的寄生参数分散性较为敏感，不太适合工业化大规模生产，多数谐振类双向DC-DC变换器仅适用百瓦以下的小功率场合。

图1-9恒频零电压开关多谐振双向DC-DC变换器

Fig1-9ZVSmul-resonancebi-directionalDC-DCconverterwithconstantfrequency

2）准方波零电压PWM双向DC-DC变换器

如图1-10所示，开关以互补方式工作。

变换器在主功率电感的作用下，每一个开关在其开通前，有电流流经其反并联二极管，两端电压被降低到零，这样为功率开关提供了零电压开通条件。

该技术的优点是拓扑及常规硬开关双向DC-DC变换器相同，恒频控制，但缺点是存在的电流纹波超过两倍负载电流，因此该变换器的开关器件通态损耗和主电感电流纹波过大，造成磁芯损耗较高，影响了变换效率。

为减小变换器的损耗，一般采用并加功率管和多模块技术。

图1-10准方波零电压PWM双向DC-DC变换器

Fig1-10Quasi-squarewaveZVSPWMbi-directionalDC-DCconverter

3）FB-ZVS-PWM双向DC-DC变换器[18]

桥式双向DC-DC变换器较容易通过相移控制实现软开关，优点是控制简单，恒频控制，而且一般不用增加辅助器件即可实现软开关，对系统的寄生参数不敏感，变换器中器件的电压电流应力较小，较适于高压场合，同单向DC-DC桥式变换器类似，变换器桥臂内部开关管互补工作，利用隔离变压器漏感中储备的能量来实现桥臂的零电压开关。

同样，不足之处是变换器存在较大内部循环能量，通态损耗较高，轻载时不能实现软开关工作。

4）无源缓冲器类双向DC-DC变换器

无源缓冲器技术是给变换器加入无源网络来软化变换器中有源开关元件的开关过程，吸收过冲。

优点是没有额外引入辅助有源开关，不增加原变换器的控制复杂度。

如图1-11所示，其中Cr，Lr，Dr，Dp组成了额外加入的无源缓冲网络，它吸收了副边电压回馈电路中的电压尖峰，相对于最简单的RCD吸收器，它基本不消耗功率，其缺点是不能完全抑制电压尖峰，只是缓冲。

图1-11一种应用无源缓冲器的桥式双向DC-DC变换器

Fig1-11Abridgebi-directionalDC-DCconverterusingthepassivebuffer

5）有源缓冲器类双向DC-DC变换器

通过加入一些有源缓冲器来达到零电压转换（ZVT）或零电流转换（ZCT）为目的的拓扑结构，它们的共同点是变换器基本保持一般的PWM方式工作，额外引入的辅助有源开关和辅助谐振网络，只是在主开关管开通或关断之前工作一小段时间，使得主开关管工作于软开关状态，此外，器件的电压应力较小。

这类变换器的缺点是所需辅助开关管数目及主开关管数目一样多，而且往往辅助管工作为硬开关或软开关的条件不理想。

6）有源钳位类双向DC-DC变换器[19]

有源钳位技术近十年来在单向DC-DC变换器中得到了广泛的应用，通过加入有源钳位支路能有效地将主开关管关断后的电压钳位，去除了电压过冲和振荡，减小了器件的电压应力，而且在一定条件下也可实现软开关。

当然有源钳位技术也可用于双向DC-DC变换器，如图1-12所示，Sc，Cc组成了有源钳位辅助回路。

该种拓扑的优点是:

①消除了无有源钳位辅助回路时电流馈全桥端存在电压应力大的缺陷;②在正向工作中，变换器以有源钳位隔离式Boost电路方式工作，变换器左端全桥和辅助钳位开关管均可工作于ZVS状态;反向工作中，变换器右端的全桥以移相方式工作，并通过左端全桥和辅助钳位管的配合工作，削减了移相工作中变换器中的循环能量，同时维持了左端全桥的零电压零电流软开关工作条件。

其不足之处有:

①正向工作中由于有源钳位工作方式引起的变换器电流应力较大，造成通态损耗变高;②反向工作时，辅助钳位管是硬开关工作的。

图1-12有源钳位类双向DC-DC变换器

Fig1-12Bi-directionalDC-DCconverterwiththeactiveclamper

1.5本论文的目的和主要工作

双向DC-DC功率变换器要在电动汽车、航天等许多应用场合获得实际应用仍面临三大问题，即双向DC-DC功率变换器的功率密度、电磁兼容性和成本问题。

软开关技术是解决功率密度和电磁兼容性问题的关键技术。

目前双向DC-DC功率变换器的软开关方法主要可以分为采用辅助开关软开关方法和不采用辅助开关软开关方法。

采用辅助开关的软开关法有：

零电压转换（ZVT）和零电流转换（ZCT）双向DC-DC功率变换器、有源钳位双向DC-DC功率变换器。

零电压转换（ZVT）和零电流转换（ZCT）双向DC-DC功率变换器结合了PWM工作和谐振变换器的优点，但需要额外引入辅助开关，且辅助开关通常为硬开关，在辅助开关上仍存在较大的开关损耗，因此实用性并不高。

有源钳位的双向DC-DC功率变换器也结合了PWM工作和谐振变换器的优点，但是也需要额外引入辅助开关。

典型的有源钳位电流馈全桥式双向DC-DC功率变换器虽然正向工作时可以实现软开关，但反向工作时辅助钳位开关为硬开关。

因此，目前，采用辅助开关的软开关双向DC-DC功率变换器存在电路元件多，需要额外引入的辅助开关及其控制电路等缺点，因此影响成本和功率密度。

而且，仍存在由于硬开关操作造成的开关损耗和电磁干扰问题。

不采用辅助开关软开关方法有：

谐振、准谐振、多谐振双向DC-DC功率变换器、准方波零电压开关双向DC-DC功率变换器、相移控制双向DC-DC功率变换器。

它们的显著有点是无需增加辅助器件即可实现功率器件的零电压或零电流开关条件，电路简单、可靠、经济。

但谐振、准谐振、多谐振技术的双向DC-DC功率变换器由于基于LC谐振工作原理，存在功率器件电压、电流应力大，通态损耗高，软开关的负载范围受限等严重缺陷。

而且，它们采用变频控制，电路参数优化困难，最终影响功率密度的提高。

软开关准方波零电压开关双向DC-DC功率变换器虽然可以定额工作，但存在电流脉动大、功率器件通态损耗和铁心损耗大的缺点。

相移控制双向DC-DC功率变换器具有功率器件电压、电流应力小，额定工作无需增加辅助器件即可实现功率器件的零电压开关条件等优点。

但当相移控制双向DC-DC功率变换器的输入电压或输出电压偏离标称电压时，相移控制在电路中造成严重环流，导致通态损耗的迅速增加和软开关条件的破坏。

在电动汽车、航天等能量管理系统中，无论是双向DC-DC功率变换器的输入还是输出，电压的变化范围很大，相移控制双向DC-DC功率变换器的应用也遇到了严重的障碍。

考虑到相移控制具有不采用辅助开关即可实现双向DC-DC功率变换器零电压开关的能力，但当输入电压或输出电压偏离标称电压时，环流严重，通态损耗大，软开关范围变窄。

而PWM控制具有器件的电压电流应力低、通态损耗小、无环流的优点，但功率开关为硬开关。

若能将相移控制和PWM相结合，发挥PWM控制对双向DC-DC功率变换器的输入和输出电压大范围变化适应性强的优势，发挥移相控制具有无须辅助开关即可实现双向DC-DC功率变换器零电压开关的能力优势，就可较好的解决双向DC-DC变换器在目前应用中所遇到的问题。

本文在阅读了大量双向DC－DC变换器的资料，深入了解最新研究动态和方向的基础上，分析介绍了一种新型的中、小功率双向半桥零电压（ZVS）DC-DC变换器的拓扑结构。

把软开关技术和PWM控制技术以及双向DC-DC变换器技术有机结合在一起，有效降低了电路的开关损耗和开关噪声，减少了器件开关过程中产生的电磁干扰，为变换器装置提高开关频率、提高效率、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半桥PWM双向DC-DC变换器中拓扑结构简洁、控制方式简单、开关频率恒定，元器件的电压和电流应力小等优点。

论文主要完成以下工作：

1）介绍了一种双向半桥零电压（ZVS）DC-DC变换器。

该变换器结构简单，不用辅助电路就可以实现开关管的零电压通断。

2）详细分析了该变换器的工作原理，根据各个开关管的开关状态，推导出不同时间段的等效电路结构，给出了实现软开关的条件。

3）讨论了电路中主要元件参数的选取原则，并通过仿真进行了验证。

4）介绍了DSP的选取，系统的主控制电路，采样电路，保护电路和驱动电路的方案。

5）通过实验验证了本课题方案的正确性和可行性。

2双向半桥DC-DC变换器的工作原理

2.1引言

本章对一种双向半桥零电压（ZVS）DC-DC变换器拓扑图进行了原理分析。

它可以不用辅助电路就可以实现开关的零电压通断，而且转换效率高和控制电路简单。

该变换器的结构很简单，隔离变压器的两端各有一个对称半桥。

变换器中的功率传输由两个对称半桥之间的相移控制。

无需另外加入任何辅助开关或无源谐振网络,变换器中的所有开关均可在双向变换中工作于零电压开通状态，且开关的电压应力低。

另外电路中没有大的延时器件存在,变换器的动态响应较快。

此变换器主要用于混合动力汽车燃料电池的辅助启动。

2.2双向DC-DC变换器的工作原理

图2-1为该变换器的拓扑图。

变换器的隔离变压器两端各有一个双半桥结构。

和双向全桥变换器相比，元器件的数量减少了一半。

另外在能量双向流动时，没有辅助设备就可以实现开关管的零电压（ZVS）通断。

开关器件S1~S4的占空比为0.5。

通过控制两个变换单元之间的相位关系来调节两个直流源之间的能量传输。

图中LS为变换器隔离变压器的漏感。

它是变换器能量传输的重要元件，同时也保证了变换器的软开关的实现。

输入方波电源Vr1的正负幅值为V1和-V1，输出方波电源Vr2的正负幅值为NV3和-NV3。

当输入方波电源Vr1的幅值和输出方波电源Vr2的幅值匹配时，即V1=NV3，简化电路的主要原理波形如图2-2所示（N=n1/n2为变压器原、副边的绕组匝比）。

但当输入方波电源Vr1的幅值和输出方波电源Vr2的幅值不匹配时，如V1

从图中可以看出变换器电流应力大大增加，即增加输入及输出之间无功功率的交换，于是增加功率器件、磁性元件的电流应力，增加了开关器件的通态损耗和磁性元件损耗。

在分析变换器正向工作模式下的工作原理之前，先作如下假设[20-22]：

1）变换器已达到稳态工作；

2）MOSFET可看作为理想开关管并联着体内寄生二极管和寄生电容；

3）变压器的激磁电感Lm电感值足够大，因此激磁电流很小；

4）Ls为原、副边漏感值折算到初级侧的和；

5）Ct1和Ct2的电容值足够大以至于它们两端的电压纹波很小；

6）不计半导体元件的管压降和二极管的反向恢复电流。

图2-1双向软开关半桥DC-DC变换器的拓扑图

Fig2-1Soft-switchingbidirectionalhalf-bridgeDC-DCconverter

图2-2变压器的理想电压及电流波形

Fig2-2Idealizedvoltageandcurrentwaveformsoftransformer

正向工作模式下,S1和S2驱动信号在相位上超前于S3和S4的驱动信号。

整个工作周期分为12个阶段:

1）阶段0：

（t0~t1）如图2-3a

电路处于稳定状态，开关管S1和D