双向全桥DCDC变换器研究.pdf
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南京师范大学硕士学位论文双向全桥DC-DC变换器研究姓名:
庄元明申请学位级别:
硕士专业:
电工理论与新技术指导教师:
孙频东;居荣20070429摘要双向DCDC变换器(BidirectionalDCDCConverters)是能够根据需要调节能量双向传输的直流到直流的变换器。
主要应用于直流不停电电源系统、航天电源系统、直流电机驱动系统、混合能源电动汽车等场合。
本文中从双向DCDC变换器基本变换单元入手,分析了多种新型软开关双向DCDC变换器基本单元的原理。
根据不同的变换器拓扑构成和控制原理,提出了一种新型软开关双向DCDC变换器的控制策略。
因为全桥变换器有四个开关管分为两个桥臂,在控制方式上更加灵活多样,可以方便地实现开关管的软开通和软关断,使变换器的开关频率提高体积缩小;所以本题目的双向DC-Dc变换器采用全桥拓扑结构。
在变换器的两个桥式电路中间使用一个隔离变压器,在不增加电路器件的情况下,实现电能的双向传递,有效地降低了设备的体积,提高了效率。
通过双向DCDC变换器的实例详细说明变换器的工作原理。
进行了建模分析,给出了仿真结果和实验结果关键词:
双向DC,Dc变换、仿真、电路设计AbstractBidirectionalDC-DCoonvertersallowthetransferofpowerbetweentwoDCSOUlCesineitherdirectionTheyarcusedinapplicationssuchasDCuninterruptiblepowersupplies,aerospacepowersystems,DCmotordrivesystems,andhybrid-energyelectricvehiclesSeveralfundamentalbidirectionalconverterunitsareintroducingfirst,andthenthespecificationsoftheprincipleofthesesoRswitchingbidirectionalunitsarediscussedInthisdissertationancwcontrolmethodforbidirectionalDC-DCconverterisproposedaccordingtothedifferenttopologiesandconUoltheoriesTherearcfourswitchersinfullbridgetopology,itiseasytoimplementdifferentcontrolschemeandrealizesoftswitchingTheseadvantagesmaketheproductsmallerWhenworkingundersoftswitchingconditionsthedevicecanworkathighfrequencywithperfectefficiency,SothenewcontrolmethodisrealizedinfullbridgetopologyWith锄isolatedtransformerbetweenthepfiIm旷ybridgeandthesccondarybridge,thepower啪flowineitherdirectionwithoutextradeviceThenthecoflvertercanbelnadewithhighefficientandmolecompactSomeDC-DCconverterexamplesaregiventoexplaintheconvertersworkingprincipleThecircuitmodes1iebuiIt,theresultofthesimulationandexperimentarcalsopresentecLKeywords:
BidirectionalDCDCConverters,Simulation,CircuitdesignII图形目录图11单向DCIX;变换器功能框图图12双向IX:
Dc变换器功能框图图13直流基本变换单元图I4单向BoostDC-DC变换器图15双向BoostBuckDC-DC变换器图16直流不停电电源系统图I7航天直流电源系统图18双向直流变换器驱动直流电动机图19低感抗直流电机驱动与再生制动系统图110燃料电池电动汽车电力驱动系统图Iil喜流功率放大器2223466799910图112单向DCDC基本变换器族图113双向DC-DC基本变换器族。
图114Buck-Boost级联型双向DC-DC变换器图1,15反激式双向DC-DC变换器图116推挽式双向DCDC变换器图117相移控制零电压开关桥式双向DC-DC变换器图118电流馈桥式双向DC-DC变换器图119半桥,推挽型双向IX:
DC变换器图120串并快恢复二极管的BoostBuck双向DC-DC变换器图121ZCSZVSSCyRBuckBoost双向DCDc变换器图122ZCSZVS-SCyRBuckBoost变换器原理波形图123单周谐振双向DC-DC基本变换单元图124准谐振双向DC-DC变换器圈125准谐振双向DCDC基本变换单元llllll121313141414图126CF-ZVS-MRBt垃kBoost双向DC-DC变换器15图127多谐振双向DCDC基本变换单元15图I28准方波零电压开关技术图129一种应用无源缓冲器的桥式双向DCDC变换器图L30零电压转换双向DCDC变换器。
图13I零电流转换双向DcDC变换器图I32ZCS反激式双向DC-DC变换器图133有源钳位双向13(2一DC变换器图134一种混合型软开关双向DCDc变换器图21PWM开关波形图22谐振开关波形图23DcDc双向变换电路结构图图24DCDC双向变换主电路原理图15161717171818圈25能量从低压向高压流动时的门极控制脉冲图26能量从低压向高压流动时变压器右侧电压、电流波形2323图27能量从低压向高压传送过程中各阶段等效电路图28能量从高压向第压流动时的门极控制脉冲图29脉冲之间设置死区。
27图210电流iLk临界连续波形27图3i电力电子系统结构。
29图32DC-DC变换器反馈控制系统30图33Buck-Boost变换器及其工作状态分析32图34Buck-Boost变换器线性化小信号交流模型的三个等效子电路4l图35Buck-Boost变换器小信号交流等效电路4l图36Buck变换器小信号交流等效电路42图37Boost变换器小信号交流等效电路42图41DCDC变换器的几种基本电路模型图42Buck电路的MATLAB仿真模型和仿真波形图43Boost电路的MATLAB仿真模型和仿真波形图44反极性电路的MATLAB仿真模型和仿真波形。
图45双向BoostBuckDC-DC变换器4345464748图46双向BoosBuckDCDC变换器的MATLAB仿真模型48图47双向BoostBuckDCDC变换器工作于升压时输出电压的波形一图48双向BoostBuckDC-DC变换器工作于降压时输出电压的波形图49双向桥式DC-DC变换器的MATLAB仿真模型图410各个开关管的控制脉冲图411变压器一次侧仿真波形图412变压器二次侧仿真波形图413输出电压波形。
图51控制程序流程图图52驱动器EXB841内部电路原理图图53IR2110内部电路原理图图61高频变压器一次侧波形图62高频变压器二次侧波形图63提升脉冲波形图64提升前负载电压图65提升后负载电压图66实验模型电路646464盼如钉钉记钇转毋矾学位论文独创性声明本人郑重声明:
l、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。
2、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。
3、本论文中除引文外,所有实验、数据和有关材料均是真实的。
4、本论文中除引文和致谢的内容外,不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。
5、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。
作者签名:
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之氨明日期:
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保密的学位论文在解密后适用本规定。
作者签名:
丘五翊日期:
2耻Z啦墨2双向全桥DCDC变换器的研究第一章绪论第一章绪论随着科技和生产的发展,对双向DCIX:
变换器的需求日益增多,主要有直流不停电电源系统、航天电源系统、直流电机驱动系统、混合能源电动汽车等应用场合。
软开关(Softswitching)技术的应用可以降低双向DC-DC变换器的开关损耗,提高变换器的工作频率,为变换器的高频化提供可能性,从而大大缩小变换器的体积重量,提高变换器的功率密度和动态性能。
11双向DC-DC变换器的原理和应用111双向DCDC变换器原理简介我们所熟悉的IX:
一DC变换器多数是单向工作的,如图1I所示,由于通常的单向DC-DC变换器中的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,即在图中能量只能从Vl经变换器传输到V2,而不能反向流动。
然而对于有些需要能量双向流动的场合(VI和v2可以是直流电压源或直流有源负载它们的电压极性保持不变。
能量有时可能从Vl传输到v2,有时又可能从v2传输到V1),如仍使用单向DC-DC变换器,则需要将两个单向DC-DC变换器反并联,如图12(a),单向IX:
IX:
变换器被用来控制处理从V1到V2的能量流动,当需要能量反向流动时就要使用单向DCDC变换器。
但是这样总体电路就会变得复杂化,实际上完全可以把这两个变换器的功能由一个变换器来完成,也就是使用双向DC-DC变换器。
双向DCIX:
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直流到直流变换器。
如图12(b)所示,双向DCDC变换器置于vl和v2之间,控制其问的能量传输。
II和12分别是Vl和v2的平均输入电流。
根据实际应用的需要,可以通过双向DC-DC变换器的变换控制,使能量从Vl传输到v2,称为正向工作模式(Forwardmode),此时It为负,而12为正,或使能量从v2传输到Vl,称为反向工作模式ackwardmode),此时II为正,而12为负。
从电路拓扑上讲,单向DC-DC变换器可简化为含有如图13(a)所示单向基本变换单元(UnidirectionalSwitchUnit)的基本原理结构,这个基本变换单元由一个有源开关(Activeswitch)和一个二极管构成,简单的实例如图14中的单向BoostDC-DC变换器,由于二极管D2的存在,能量只能从Vl传输到v2。
而常规的双向DCIX:
变换器可简化为含有图13(b)所示双向基本变换单元(BidirectionalSwitchUnit)的基本原理结构,此双向变换单元由两个各自并有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15为一基本双向BoostBuckDCIX:
变换器。
该变换器有两种最简单的工作方式:
当s2保持关断,SI开关工作,变换器实际为一个Boost电路,能量从vI传输到v2;相反,当Sl保持关断,S2开关工作,此时变换器相当一个Buck电路,能量从V2传输到vl。
双向全桥DC-IX:
变换器的研究第一章绪论PowerFlowII锄12O日UnidirectionalDC-DCConverter讲图II单向DC-DC变换器功能框图PowerFlow110日BidirectionalDCDCConverterPowerFlowIt0,120图a双单向DC-DC变换器结构图b双单向DC-DC变换器结构图12双向DCDC变换器功能框图Dlr、JSID1lI11hr、J(a)单向DC-DC基本变换单元(b)双向DC-DC基本变换单元图13直流基本变换单元2双向全桥DC-DC变换嚣的研究第一章绪论LD2Ls2图14单向BoostDC-DC变换器图15双向BoostBuckDCDC变换器与传统的采用两套单向DC-DC变换器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小,且可以更加快速的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DCDC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(Conductionloss)。
总之,双向DCDC变换器具有高效率、体积小、动态性能好和低成本等优势。
112双向DC-DC变换器的应用随着科技和生产的发展,对双向DC-DC变换器的需求逐渐增多,主要包括直流不停电电源系统、航天电源系统、电动汽车、直流功率放大器及蓄电池储能等应用场合。
1121直流不停电电源系统(DC-UPS)在直流不停电电源系统中(如图12所示),一般有两种系统结构,一种是图16(a)所示的直流总线(DCmains)上直接并接合适电压等级的蓄电池组,保证直流负载的不间断供电;另一种系统结构是图16(b)所示的,蓄电池组经过双向DCDC变换器并接到直流总线上,正常供电时,ACDC变换器调整稳定直流总线的电压,对直流总线上所挂接负载供电,此时双向DCDC变换器承担备用蓄电池的充电工作一旦外部交流电源掉电或其它故障发生造成直流总线掉电,双向DCDC变换器即迅速反应,以反向方式工作控制备用蓄电池放电,从而维持直流总线电压稳定。
以上两种DCUPS结构相比较。
前一种不使用双向DC-DC变换器系统结构的主要优点是结构简单,但由于一般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,很多直流负载对直流输入电压的稳定度有要求,采用此结构就不得不在这些直流负载与宜流总线之问再加入DCDC调整单元,反而结构变复杂了,而且效率也低;从对蓄电池充放电角度来看,使用双向DC-DC直流变换器的结构方式可以把电池充放电的工作分离出来,可以简化前级AC-DC变换器的功能,只需控制稳定直流总线电压印可,同时运用双向DC-DC变换器单独处理蓄电池的充放电操作,更容易优化充放电过程,对廷长蓄电池的寿命和提高充电效率都大有好处:
当使用的现有蓄电池组的电压与直流总线的电压相差较大时,非隔离式或隔离式的双向DCDC变换器还可以起到中间变换的作用;出了二安全或其它考虑而要求蓄电池与直流总线之问电隔离时,隔离式双向I)12DC直流变换器也是必要的选择。
总之,在3双向会桥DCoDC变换器的研究第一章绪论(a)无双向DCDC直流变换器结构(b)双向DC-DC直流变换器结构图16直流不停电电源系统一些场合下,使用双向DCDC变换器的DC-UPS可以为接于总线的负载提供高品质,可靠的供电环境。
同样道理。
双向DC-DC变换器还可以成为某些AC-uPsl4l(交流不停电电源系统,也就是通常所说的UPS)中的中间直流链与蓄电池之间的变换环节。
1122航天电源系统(Aerospacepowersystem)在卫星及空间站的航天电源系统中唧(如图17所示),双向DC-DC变换器成为其中的关键性部件航天电源系统的能源主要包括太阳能电池阵列和高能蓄电池。
通常太阳能电池阵列工作在最大功率跟踪点(MaxjmumPower-TrackingPoint)。
当日光充足时,太阳能电池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,太阳能电池阵列不足以提供负载所需的电能,双向DCDC变换器反向工作向负载提供电能。
双向DC-DC变换器充当蓄电池的充放电管理器。
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。
1123电动汽车fEIeclI乱vehicle)出于环保和能源的考虑,电动汽车将来很有可能成为陆上主要交通工具之一,而双向DC-DC变换器在电动汽车中有着广泛的应用16】。
电动汽车中的电动机时典型的有源负载,从其输入端来看既能吸入能量也可输出能量。
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动机驱动系统。
由于电动汽车中的电机转速范围极宽,频繁加速、减速,而且蓄电池的电压变化范围也很大,相对于一般的驱动方法。
使用双向DCDC变换器可以明显提高电机的驱动性能。
另一方面,双向DCDC变换器可以将制动刹车时由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,优化电机控制提高效率和性能,同时可以避免在用单向DCDC变换器时出现的反向制动无法控制和变换器的输出端出现浪涌电压等不利情况。
双向全桥DC-DC变换器的研究第一章绪论SolarEnergySolarAtray图17航天直流电源系统对于直流电动机来讲,理所当然可用如图18所示常见的双向DCDC变换器直接驱动方法而对于交流电机、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,主要得益于它的高功率密度、低的转动惯量、平滑的转动以及低成本等优点。
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(Switchingloss),这时使用双向DCDC变换器就可以解决这个问题。
以无槽轴流永磁(Slotlessaxial-fluxPM)低感抗(例如几百H)的低速大转矩直流电机的驱动为例,如图19所示,这类电机一般可用于电动汽车的直接车轮驱动,双向DCDC变换器被用来调节逆变器的输入电压,从而使电机的脉动电流小,电机的电流跟踪转矩参考信号,电机运转更加平稳,损耗减小,同时逆变器的开关应力降低而且控制也被简化。
再生制动时,电动机的动能转换为电能经双向DCDC变换器回馈到蓄电池另外,若将图19中的逆变器输出端口脱离电机而转接交流电网,双向DC-DC变换器则同逆变器的整流桥合起来变为车上具有单功率因数校正的电动汽车蓄电池充电器。
燃料电池(Fuelcell)电动汽车和混合能源电动汽车也需要双向DC-DC变换器psj。
如图110所示,燃料电池系统中一般含有一个压缩电机消耗单元(CompressorMotorExpendingUnit,cMEu),正常运转情况下。
该压缩电机可由燃料电池输出电压供电,但在电动机车启动时,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:
在燃料电池发电前通过双向DCDC变换器升压,提供高电压总线的能量;当汽车制动时,逆变器
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- 双向 DCDC 变换器 研究