双向DCDC变换器研究.docx

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双向DCDC变换器研究

摘要

双向DC/DC变换器是典型的“一机两用”设备，可实现能量的双向传输，所以在需要能量双向流动的场合，双向DC/DC变换器的应用可大幅度减轻系统的体积、重量和成本，有着重要的研究价值。

本文主要研究了隔离型双向全桥DC/DC变换器。

本文首先介绍双向DC/DC变换器的概念、应用场合以及研究现状，并在此基础上分析了电压一电流型双向全桥DC/DC变换器：

Buck充电模式时，高压侧开关管有驱动信号，低压侧开关管驱动信号封锁，仅用功率开关管的体二极管整流；此时电路为电压型全桥结构;Boost放电模式时，低压侧开关管有驱动信号，高压侧开关管驱动信号封锁，仅用功率开关管的体二极管整流；此时电路为电流型全桥结构。

然后，分别分析了buck充电模式和boost放电模式的工作原理。

最后利用PSpice软件分别对buck充电模式和boost放电模式的开环和闭环进行了仿真，给出了各个部分的波形图，最后的仿真结果和理论一致。

关键词：

　双向DC/DC变换器Buck充电模式Boost放电模式

Abstract

Bi-DC/DCConverter（BDC）wastypicaldeviceas“twofunctionsinonedevice”,withwhichenergycantransferineitherdirection.Therefore,insituationsthatrequiretwo-wayflowofenergy,bi-directionalDC/DCconverterapplicationscangreatlyreducethesystemsize,weightandcost,hasimportantresearchvalue.Thispaperstudiedtheisolatedbi-directionalfull-bridgeDC/DCconverter.

Thispaperfirstintroducestheconceptofbi-directionalDC/DCconverterapplications,aswellasthestatusquo,andonthisbasis,theadvantagesanddisadvantagesofthevoltageofacurrentbi-directionalfull-bridgeDC/DCconverter;Buckmode,thehighpressuresideswitchtubedrivesignals,thelowpressuresideoftheswitchdrivesignalblockade,theonlypowerswitchbodydioderectifier;Thecircuitforvoltagefull-bridgestructure.Boostmode,thelowvoltagesideswitchingpossessionofthedrivesignal,thehighpressuresideoftheswitchdrivesignalblockade,onlythepowerswitchbodydioderectifier;thecircuitforcurrent-modefull-bridgestructure.

Thenanalyzedthebuckchargingmodeandboosttheworkingprincipleofthedischargemode.LastbuckchargingmodeandboostthedischargemodeofopenandclosedloopsimulationusingPSpicesoftwaretovariouspartsofthewaveform,consistentwiththefinalsimulationresultsandtheoretical.

Keywords：

Bi-directionalDC/DCconvertersBuckchargingmodeBoostdischargemode

附录455

第1章绪论

1.1课题研究背景

DC/DC变换器是将一种直流电能转换成另一种形式直流电能的技术，主要对电压、电流实现变换。

它在可再生能源、电力系统、交通、航天航空、计算机和通讯、家用电器、国防军工、工业控制等领域得到广泛的应用。

通常DC/DC变换器都是单向工作的，主要原因是因为功率开关（SCR，IGBT等）均为单向，并且主功率回路上都有单向导电的二极管，所以能量只能单向流动。

然而随着科技和社会的发展，双向直流不间断电源系统、航空电源系统等场合对DC/DC变换器的需求逐渐增加。

为了减轻系统的体积重量，节省成本，在电池的充放电系统、电动汽车、不间断电源系统、太阳能发电系统、航空电源系统等场合，双向DC/DC变换器（Bi一direCtionalDC/DCConverter，BDC）获得了越来越广泛的应用。

双向DC/DC变换器是一种典型的“一机两用”设备，单向DC/DC变换器只能将能量从一个方向传到另一个方向，双向DC/DC变换器则可以实现能量的双向传输，而且双向DC/DC变换器就是DC/DC变换器的双象限运行，功率不仅可以从输入端流向输出端，也能从输出端流向输入端。

它的输入输出电压极性不变，但输入、输出电流的方向可以改变。

理论上讲，将单向DC/DC变换器中的单向开关和二极管改为双向开关，则所有的单向拓扑均变为双向拓扑，加上合理的控制就能实现能量的双向流动。

双向DC/DC变换器是电力电子变换器的一个新分支，它是伴随着航空航天、电动汽车、电动船舶和新的无污染能源科技的发展而发展起来的。

所以说需求是双向DC/DC变换器发展的动力，随着太阳能风能、燃料电池等无污染发电技术的发展和电动汽车技术的发展，会有更多的双向DC/DC变换器拓扑被提出，双向DC/DC变换器的应用将进入新的发展阶段。

1.2双向DC/DC变换器的应用

1.2.1不停电电源系统（UPS）

不停电电源系统包括直流输出不停电电源系统和交流输出不停电电源系统两种。

图1-1是一种DC-UPS的结构框图，由AC/DC变换器、电池组BA和双向DC/DC（BiDC/DC）变换器构成。

其工作原理是，当供电正常时，AC/DC变换器将直流母线电压调整到稳态电压，对直流母线上的负载供电，同时经Bi-DC/DC给电池组BA充电，若BA已充足电，则双向变换器不进行功率转换；当供电电源掉电或出现故障时，双向直流变换器将电池组电压转变成直流母线负载所需电压，给负载供电，使负载不断电。

相比于直接并接适合直流母线电压等级的蓄电池组构成方式，加入双向DC/DC变换器有以下优势:

（1）可以保证直流母线电压恒定，不随电池电压的变化而变化;

（2）可以优化蓄电池的充放电管理，有利于延长蓄电池寿命和提高蓄电池利用率。

图1-1DC-UPS电源系统

双向DC/DC变换器的功能是：

供电正常时作为电池组的充电器，保持电池充足电状态；在供电故障后将电池组电压转变为直流母线电压，给负载供电。

通常，电池组充电的功率较小，放电时功率较大，因此对Bi-DC/DC的功率等级应依放电功率为准。

使用双向DC/DC变换器的好处是，可以将电池的充放电的工作分离出来，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，对于延长蓄电池的寿命和提高充电效率都有好处。

1.2.2电动汽车燃料电池电源系统

燃料电池是一种可以将化学能转变成电能的装置，在电动汽车中有很好的应用前景。

在燃料电池系统中含有一个压缩机电机，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，提供压缩机电机的驱动能量，给燃料电池创造启动条件。

辅助电源有两个作用:

①在燃料电池启动前，提供直流母线的电压；②当汽车制动时，希望制动能量能够回馈并得到合理的应用。

采用蓄电池作为辅助供电电源，通过双向DC/DC变换器可以满足这两个方面的要求：

快速启动燃料电池；将制动能量回馈给蓄电池。

如1-2图为电动汽车燃料电池电源系统结构框图，双向DC/DC变换器是此电源管理系统中的重要组成部分之一。

为了和目前的汽车负载保持兼容，电池电压一般为12V，直流母线电压为288V。

蓄电池供电时，双向DC/DC变换器工作在放电模式，输入电池电压波动，输出稳定电压288V，放电功率1.5kW；蓄电池储能时，双向DC/DC变换器工作在充电模式，将电能存储于蓄电池中。

上述领域中应用的双向DC/DC变换器的共同特点是：

变换器功率较大，变换器所连接的电路中一端是电压较低的蓄电池，另一端的电压较高。

由于电压等级差别较大，同时出于安全、输出匹配等因素的考虑，这类变换器一般都采用变压器进行低压与高压之间的隔离，即选用隔离型双向DC/DC变换器。

图1-2电动汽车用燃料电池电源系统框图

1.2.3航天电源系统

在卫星及空间站等航天电源系统中，如图1-3，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、高能蓄电池。

通常太阳能电池阵列工作在最大功率跟踪点，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变换器储存到蓄电池中:

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DC/DC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。

图1-3航空电源系统

1.3双向DC/DC变换器的现状和发展

1.3.1双向直流变换器的现状

20世纪80年代初，为减轻人造卫星太阳能电源系统的体积和重量，美国学者提出用Buck/Boost型双向DC/DC变换器代替蓄电池充电器和放电器。

此后人们对人造卫星用蓄电池调节器进行了深入研究，并使之进入了实用阶段。

按照双向DC/DC变换器的构成方法，双向DC/DC变换器可以由单向DC/DC变换器演变而来，按输入和输出之间是否有电气隔离，或功率开关器件的个数进行分类。

非隔离型双向DC/DC变换器有：

BiBuck-Boost、BiBuck/Boost、BiCuk、等，这类变换器只能实现电流的双向流动，并不能改变电压的极性，故称为电流双向变换器，即在电压和电流为坐标的平面内，仅电流可正可负，变换器工作在第I和第II象限。

电压双向变换器则只能实现电压极性的变换，电流方向不变，变换器工作在第I和第Ⅳ象限。

桥式直流变换器既能实现电流的正与负，也能改变输出电压的极性，为四象限直流变换器。

因而这种四象限直流变换器对直流电机电枢供电时，可以使直流电机在四个象限区域工作。

隔离型双向DC/DC变换器有：

反激式双向（Biflyback）DC/DC变换器，正激式双向（Biforward）DC/DC变换器，双向半桥（Bihalfbridge）DC/DC变换器，双向推挽（Bipush-pull）DC/DC变换器，双向全桥（Bifullbridge）DC/DC变换器等。

不仅同一种类型的隔离直流变换器可构成隔离型双向DC/DC变换器，而且不同形式的隔离直流变换器也可组合成隔离型双向DC/DC变换器。

双向直流变换器按开关转换条件，也可分为硬开关和软开关两类。

桥式直流变换器有两类：

一类是由双电压源型桥式直流变换器构成，主变压器两侧电路结构对称；一类是由电压源型桥式直流变换器和电流源型桥式直流变换器构成。

这两种桥式变换器均可具有软开关特性。

控制方式有两种：

①变压器两侧开关管相移控制,变压器有等效电感，通过控制两侧变换单元之间的相位关系来调节两个电源之间的能量传输大小和方向；②只对变压器一侧开关管进行控制，来调节向另一侧传递能量的大小，另一侧开关管用其反并联二极管整流，工作原理类似单向直流变换器。

1.3.2双向直流变换器的发展

双向直流变换器和电力电子变换器一样，基本要求是：

工作可靠性高、体积小、重量轻、电气特性好等。

可靠性是最主要的要求，它是衡量成功率的尺度，通常以平均故障间隔时间，MTBF（以小时计）来表示，也可用平均故障间隔时间的倒数——故障率，即每一千工作小时的故障次数来表示。

高的可靠性来自良好的设计、认真的制造、全面的检查、合理的使用、准确地安装和正确的维修。

电力电子变换器应该在合适的供电条件下不依赖于其他条件正常工作。

变换器的故障不应导致给它供电电源的故障，也不应引起与其连接的其他设备的故障。

变换器的故障应不导致不安全状态，不扩大故障，更不造成火灾等严重事故。

体积小、重量轻体现双向DC/DC变换器是一种典型的“一机两用”设备。

电力电子变换器的电气性能包括供电电源的适应性、输出电能质量、电能转换效率和电磁兼容性等方面。

提高电能转换效率是电力电子变换器永恒的追求。

低损耗，就会有低温升和小的体积重量，因而就有高的可靠性。

电磁兼容性既要考虑到不受外界干扰信号大的影响，又要不危害其他设备的正常工作。

双向DC/DC变换器是电力电子变换器的组成部分，其发展方向基本相同。

但双向DC/DC变换器是电力电子变换器的一个新分支，是伴随航空航天、电动汽车等新的无污染能源科技的发展而发展起来的，其前景十分广阔。

1.4本章小结

由于对双向DC/DC变换器的应用场合分析我们可以知道，大多数情况下都需要较大的电压传输比，而且要求可靠性高，所以一般都采用隔离拓扑。

因此双向全桥DC/DC变换器备受青睐。

目前双向DC/DC变换器的研究工作主要集中在电路拓扑和控制方式两个方面。

，本文主要以应用于中大功率场合的隔离型双向全桥DC/DC变换器为研究对象，变换器有8个功率开关管，高压侧是电压源型全桥结构，低压侧是电流源型全桥结构。

本课题的主要工作包括以下内容:

（1）介绍了双向DC/DC变换器的概念原理、构成方法、分类及应用领域，并对其研究现状和发展作了简略的介绍，并确定以电压一电流型双向全桥DC/DC变换器为本文的主要研究对象。

（2）分别阐述了Buck充电模式和Boost放电模式的工作原理，并分析了变换器工作过程中存在的一些问题及相应的解决方案。

（3）介绍了双向DC/DC变换器的设计过程中的参数计算，和变压器的选择。

（4）通过PSpice对Buck充电模式和Boost放电模式电路进行仿真分析，验证其正确行和可行性。

最后结果和理论一致。

最后对全文做了总结，并对进一步的工作方向作了展望。

第2章双向全桥DC/DC变换器

2.1.双向DC/DC变换器的原理

单向DC/DC变换器，能量只能从一端输入，从另一端输出，如图2-1-1所示，这类变换器的主功率传输通路上一般都有二极管这个环节，因此变换器传递能量时只能是单向的，即图2-1-1中，能量只能从V1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可双向流动的场合（V1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。

能量有时可从V2传输到V1，有时可从V1传输到V2），如果仍使用单向DC/DC变换器，则需要将两个单向DC/DC变换器反并联.但是这样电路就会变得复杂化，实际上可以将这两个单向变换器的功能由一个变换器来完成，即是双向DC/DC变换器。

图2-1-1单向DC/DC变换功能框图

图2-1-2双向DC/DC变换器结构

双向DC/DC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传递方向的直流变换器。

双向DC/DC变换器置于电源V1和V2之间，控制其间的能量传递。

I1和I2分别是V1和V2的平均输入电流。

根据实际需要，可以通过双向DC/DC变换器的控制器控制功率流向：

使能量从V1传输到V2,称为正向工作模式，此时I1为负，I2为正;使能量从V2传输到V1，称为反向工作模式，此时I1为正，I2为负。

2.2双向DC/DC变换器的构成方法

（a）单向DC/DC基本变换单元b）双向DC/DC基本变换单元

图2-2-1双向DC/DC基本变换单元演变示意图

（a）单向BuckDC/DC变换器（b）单向BoostDC/DC变换器

图2-2-2双向Buck-BoostDC/DC变换器演变示意图

从电路拓扑上讲，单向DC/DC变换器可简化为含有如图2-2-1所示单向基本变换单元的基本原理结构，该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2-2-1（a）中的单向BuckDC/DC变换器和图2-2-1（b）中的单向BoostDC/DC变换器，由于二极管的存在，能量只能单方向传输。

图2-2-2（c）为基本的双向Buck-BoostDC/DC变换器，它有两种简单的工作方式：

Q2保持关断，Q1采用PWM方式工作，变换器实际为一个Buck电路，能量从V1传输到V2；Q1保持关断，Q2采用PWM方式工作，变换器实际为一个Boost电路，能量从V2传输到V1。

与传统的采用双-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变换器应用一个变换器来控制能量的双向传输，使用的总体开关器件数目少，且可以更快的进行功率传输方向的切换。

而且，一般双向DC/DC变换器更方便在现有的电路上使用同步整流工作方式，有利于降低通态损耗。

总之，双向DC/DC变换器具有高效率、体积小、动态性能好和成本低等优势。

2.3隔离型双向全桥DC/DC变换器

在非隔离型双向Buck-BoostDC/DC变换器的电路拓扑结构中插入高频变压器，即可构成隔离型Buck-BoostDC/DC变换器拓扑。

图2-3（a）为隔离型Buck-BoostDC/DC变换器的基本形式，其中高频整流/逆变单元和高频逆变/整流单元可以由全桥、半桥、推挽等电路拓扑构成。

图2-3（b）的整流/逆变单元和逆变/整流单元均是全桥结构，该拓扑即是本文的研究对象。

本文主要研究电压-电流组合型隔离型双向全桥DC/DC变换器。

.

（a）隔离型双向DC/DC基本拓扑

图2-3（b）隔离型双向全桥DC/DC变换器

2.4双向全桥DC/DC变换器的工作原理

带隔离变压器的双向全桥DC/DC变换器的拓扑结构如图2-4所示。

图2-4中变压器两侧整流/逆变单元均是全桥型结构，高压侧的为电压型全桥结构，低压侧为电流型全桥结构。

两侧可以实现能量的双向流动。

图2-4中，R1为高压侧母线负载；变压器两侧绕组匝数分别为N1、N2，匝比为n=N1:

N2；Lr1为变压器高压侧等效漏感或与外串电感之和；Lr2为变压器低压侧等效漏感或与外串电感之和；Lf在充电模式时是滤波电感，放电模式时是储能电感；Cf是高压侧的滤波稳压电容。

图2-4双向全桥DC/DC变换器主电路

该变换器有两种工作模式：

当供电电源V1正常时，开关K1闭合，V1提供母线负载R1能量，同时通过变换器给蓄电池V2充电，称为充电模式；当供电电源V1故障时，开关K1断开，蓄电池V2作为应急供电电源通过变换器升压后提供高压侧母线负载R1能量，称为放电模式。

充电模式时，开关管Q1～Q4有驱动信号，并采用移相PWM控制方式，而开关管Q5～Q8则不加驱动信号，只利用其反并联二极管D5～D8实现输出全桥整流。

放电模式时，开关管Q5～Q8有驱动信号，当四个开关管同时导通时电感Lf储能，当对开关管Q5、Q8（或Q6、Q7）同时导通时，向高压侧负载传递能量，实现变换器的升压功能，而开关管Q1～Q4则没有驱动信号，只利用其反并联二极管D1～D4实现输出全桥整流。

移相PWM控制方式利用开关管的结电容和高频变压器的漏电感作为谐振元件。

漏感储存的能量对功率开关管的两端并联的输出电容充放电来使开关管两端的电压下降到零，使电路的四个开关管依次在零电压下导通，在缓冲电容的作用下零电压关断，从而有效地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。

同时还保持了一般全桥电路中的结构简单、控制方式简洁、开关频率恒定、元器件的电压电流应力小的优点。

双向DC/DC变换器有两种工作模式:

充电模式和放电模式。

2.4.1充电模式工作原理

等效电路

当变换器处于充电模式时，开关K1闭合，供电电源V1向母线负载R1正常供电，同时向电池充电。

正常供电时，负载R1所消耗的能量是恒定的，对双向变换器的传递功率没有影响，滤波电容Cf上的电压保持为V1且恒定不变的，Cf对变换器功率变换也没有影响，故分析该模式工作原理时，可以不计母线负载R1和滤波电容Cf。

因此，充电时主电路等效电路如图2-4-1所示，由图可见充电模式等效电路类似全桥直流变换器，由全桥逆变器和输出全桥整流滤波电路构成，因此，其工作原理的分析可以参考全桥直流变换器工作原理。

Lr1是变压器高压侧等效漏感与外串电感之和。

图2-4-1双向全桥DC/DC变换器充电模式

模态1：

对Q1和Q4施加控制脉冲；Q1和Q4导通构成变压器T左侧的正向电流，此时电流流向是V1+——Q1——A——B——Q4——V1-。

变压器右侧电流流向：

D5——C——Lf——V2+——D8。

如图2-4-1（a）所示

图2-4-1（a）模态1下的电流流向

模态2：

相对于Q1和Q4，延迟半个周期，对Q2和Q3施加控制脉冲；Q2和Q3导通构成变压器T左侧的正向电流，此时电流流向是V1+——Q3——B——A——Q2——V1-。

变压器右侧电流流向：

D7——Lf——V2+——D6。

如图2-4-1（b）所示。

图2-4-1（b）模态2下的电流流向

图2-4-1中的开关管Q1～Q4上不仅有反并联二极管D1～D4，还有并联电容C1～C4，它们可以是开关管的结电容，或外加的小电容。

C1～C4的作用是使开关器件在关断时其两端电压从零缓慢上升，实现软关断，减少关断损耗。

在开关器件关断、开通过程中，电容C1～C4与Lr1谐振，使开关管在施加驱动信号开通时其两端电压已为零，从而实现零电压开通，无开通损耗。

2.4.2放电模式工作原理

当变换器处于放电模式时，开关K1断开，蓄电池V2经过对开关管的控制和电感Lf的作用实现升压，向母线负载R1正常供电。

另外，考虑到Boost型变换器开关管电压尖峰的问题，在输入端采用有源钳位电路。

放电模式时，对开关管施加驱动信号。

在Q5～Q8同时有驱动信号时，四个开关管同时导通，电源电压加在输入电感Lf上，电感电流Lfi增长，若只有对管Q5、Q8（或Q6、Q7）导通时，则电感电流Lfi流入变压器的原边线圈，电感和电源能量向负载传送，电感电流Lfi下降。

为了防止电感电路的突然断开，同一桥臂开关管（Q5、Q6或Q7