數(shù)字控制雙向半橋DC-DC變換器的設(shè)計(jì)
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目錄 0 引言 1 1 概述 2 1.1 研究?jī)?nèi)容 2 1.2 雙向DC-DC變換器的原理 2 1.3 雙向DC-DC變換器的應(yīng)用 3 1.3.1 不停電電源系統(tǒng) 3 1.3.2 新能源發(fā)電系統(tǒng) 4 1.3.3 電動(dòng)汽車、各種重型車輛的車載電源系統(tǒng) 5 1.3.4 蓄電池能量?jī)?chǔ)備系統(tǒng) 7 1.4 雙向DC-DC變換器軟開(kāi)關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀 7 1.5 本論文的目的和主要工作 11 2 雙向半橋DC-DC變換器的工作原理 14 2.1 引言 14 2.2 雙向DC-DC變換器的工作原理 14 3參數(shù)設(shè)計(jì) 24 3.1 變壓器漏感的設(shè)計(jì) 24 3.2 輸入電感的設(shè)計(jì) 26 3.3 開(kāi)關(guān)管應(yīng)力 26 3.4 隔直電容的選取 26 3.5 半橋臂開(kāi)關(guān)管并聯(lián)電容的選取 27 4 雙向半橋DC-DC變換器的仿真分析 28 4.1 引言 28 4.2 MATLAB簡(jiǎn)介 28 4.3 閉環(huán)控制 28 4.4 仿真分析 30 5 雙向半橋?qū)崿F(xiàn)研究 35 5.1 DSP芯片介紹 35 5.1.1 DSP芯片的發(fā)展 35 5.1.2 TMS320LF2407A 芯片的介紹 36 5.2控制電路原理 37 5.3電源電路 39 5.4采樣電路 40 5.5通訊電路 42 5.6保護(hù)電路 42 5.7 DC/DC變換器的驅(qū)動(dòng)電路 43 6 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 45 6.1 主程序設(shè)計(jì) 45 6.2 中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì) 46 6.3 基于DSP的直接移相脈沖生成方法 47 7 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析 49 8 總結(jié) 50 致謝 51 參考文獻(xiàn) 52 附錄A 54 附錄B 64 **大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 0 引言 電力電子技術(shù)是研究電能變換原理與變換裝置的綜合性學(xué)科，是電力行業(yè)中廣泛運(yùn)用的電子技術(shù)。從上世紀(jì)60年代開(kāi)始，電力電子技術(shù)作為一門新興的學(xué)科得到迅速地發(fā)展，它是以研究和應(yīng)用半導(dǎo)體器件來(lái)實(shí)現(xiàn)電力變換和控制的技術(shù)，是一門由電工、電力半導(dǎo)體器件以及控制技術(shù)相互交叉而出現(xiàn)的新興學(xué)科。 電力電子技術(shù)研究的內(nèi)容非常廣泛，包括電力半導(dǎo)體器件、磁性元件、電力電子電路、集成控制電路以及由上述元件、電路組成的電力變換裝置，其中電力變換技術(shù)是開(kāi)關(guān)電源的基礎(chǔ)和核心。 由于生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，電力電子技術(shù)也隨之迅速發(fā)展，使得雙向DC-DC變換器的應(yīng)用日益廣泛。尤其是軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，使雙向DC-DC變換器不斷朝著高效化、小型化、高頻化和高性能化的方向發(fā)展，開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用可以降低雙向DC-DC變換器的開(kāi)關(guān)損耗，提高變換器的工作效率，為變換器的高頻化提供可能性，從而減小變換器的體積，提高變換器的動(dòng)態(tài)性能。雙向DC-DC變換器在直流不停電電源系統(tǒng)、航空電源系統(tǒng)、電動(dòng)汽車等車載電源系統(tǒng)、直流功率放大器以及蓄電池儲(chǔ)能等場(chǎng)合都得到了廣泛的應(yīng)用。 1 概述 1.1 研究?jī)?nèi)容 隨著科技和生產(chǎn)的發(fā)展，雙向DC-DC變換器的需求逐漸增多。人們對(duì)它的研究越來(lái)越感興趣。本章簡(jiǎn)單介紹了雙向DC-DC變換器的原理和用途。針對(duì)雙向DC-DC變換器的研究現(xiàn)狀，闡明了開(kāi)展雙向DC-DC變換器研究的目的和意義。 1.2 雙向DC-DC變換器的原理 雙向DC-DC變換器可廣泛的應(yīng)用于直流不停電電源系統(tǒng)、航天電源系統(tǒng)、混合電動(dòng)汽車中的輔助動(dòng)力供應(yīng)系統(tǒng)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其它應(yīng)用場(chǎng)合[1-3]。在這些需要能量雙向流動(dòng)的場(chǎng)合，兩側(cè)都是直流電壓源或直流有源負(fù)載，它們的電壓極性保持不變,希望能量雙向流動(dòng)，也就是電流的雙向流動(dòng)。這就需要雙向DC-DC變換器。其結(jié)構(gòu)如圖 1-1（a）所示，在兩個(gè)直流電壓源之間有一個(gè)雙向DC-DC變換器，用于控制其間的能量傳輸[4]。I1和I2分別是V1和V2的平均輸入電流。雙向DC-DC變換器可以根據(jù)實(shí)際需要來(lái)控制能量的流動(dòng)方向，即可以使能量從V1傳輸?shù)絍2 (此時(shí)I1為負(fù)，而I2為正），也可以使能量從V2傳輸?shù)絍1（此時(shí)I1為正，而I2為負(fù)）。用通常的單向 DC-DC 變換器也可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，但是這時(shí)就需要將兩個(gè)單向DC-DC變換器反并聯(lián)，因?yàn)橥ǔ５膯蜗駾C-DC變換器中主功率傳輸通路上一般都有二極管這個(gè)環(huán)節(jié)，因此能量經(jīng)由變換器流動(dòng)的方向只能是單向的。其結(jié)構(gòu)圖如圖 1-1（b）所示，單向DC-DC變換器①被用來(lái)控制處理從V1到V2的能量流動(dòng)，當(dāng)需要能量反向流動(dòng)時(shí)就使用單向DC-DC變換器②。與采用兩個(gè)單向 DC-DC變換器反并聯(lián)來(lái)達(dá)到能量雙向傳輸?shù)姆桨赶啾?，雙向DC-DC變換器應(yīng)用同一個(gè)變換器來(lái)控制能量的雙向傳輸，使用的總體器件數(shù)目少，且可以更加快速地進(jìn)行兩個(gè)方向功率變換的切換。再者，在低壓大電流場(chǎng)合，一般雙向DC-DC變換器更有可能在現(xiàn)成的電路上使用同步整流器工作方式，有利于降低通態(tài)損耗?？傊?，雙向DC-DC變換器具有效率高、體積小、動(dòng)態(tài)性能好和成本低等優(yōu)勢(shì)。 (a) 雙向DC-DC變換器結(jié)構(gòu) （b）雙單向變換器結(jié)構(gòu) 圖1-1 雙向DC-DC變換功能框圖 Fig1-1 Block diagram of bi-directional DC-DC converter 1.3 雙向DC-DC變換器的應(yīng)用 1.3.1 不停電電源系統(tǒng) 直流不停電系統(tǒng)有兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-2所示，直流總線上直接并蓄電池組。當(dāng)外部交流輸入電源掉線時(shí)，負(fù)載由蓄電池來(lái)提供能量。正常供電時(shí)，交流輸入對(duì)蓄電池浮充。由于蓄電池的電壓變化范圍很大，造成直流總線的電壓也有較大的變化，很多直流負(fù)載對(duì)輸入電壓的穩(wěn)定度有一定的要求，所以需在直流負(fù)載與直流總線之間加入DC-DC變換器，以保持直流總線電壓的穩(wěn)定。因此，正常供電時(shí)，交流電能要經(jīng)過(guò)AC-DC和DC-DC二級(jí)變換，這樣降低了效率。 圖1-2 含雙向DC-DC直流變換器的直流不停電系統(tǒng) Fig1-2 DC UPS including the single DC-DC converter 另一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1-3 所示，蓄電池組經(jīng)過(guò)雙向DC-DC變換器并到直流總線上[5][6]。正常供電時(shí)，交流輸入電源除了對(duì)負(fù)載供電外，還通過(guò)雙向DC-DC變換器對(duì)蓄電池充電。當(dāng)外部交流輸入電源掉電，雙向DC-DC變換器工作在反向方式，使蓄電池放電。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的好處：1)這種結(jié)構(gòu)把電池充電的工作分離出來(lái)，正常供電時(shí)，經(jīng)過(guò)一級(jí) AC-DC變換，向負(fù)載供電，提高了變換效率；2)運(yùn)用雙向DC-DC變換器單獨(dú)控制蓄電池的充放電，更容易優(yōu)化充放電過(guò)程，可以延長(zhǎng)蓄電池的壽命。 圖1-3 含雙向DC-DC直流變換器的直流不停電系統(tǒng) Fig1-3 DC UPS including the bi-directional DC-DC converter 同樣道理，雙向DC-DC變換器還可成為某些AC-UPS（交流不停電電源系統(tǒng)，也就是通常所說(shuō)的UPS）中的中間直流總線與蓄電池之間的變換環(huán)節(jié)，圖1-4是在線式交流不停電電源系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。蓄電池組也是經(jīng)過(guò)雙向DC-DC變換器并到直流總線上。 圖1-4 雙向DC-DC直流變換器結(jié)構(gòu)的交流不停電系統(tǒng)（在線式） Fig1-4 AC UPS including bi-directional DC-DC converter(on line) 1.3.2 新能源發(fā)電系統(tǒng) 衛(wèi)星及空間站等航天系統(tǒng)的能源主要由太陽(yáng)能電池陣列和蓄電池組成，航天系統(tǒng)對(duì)電源的體積和重量有嚴(yán)格的要求（如圖1-5），高功率密度的雙向DC-DC變換器成為電源系統(tǒng)關(guān)鍵性部件[7][8]。 為了發(fā)揮光伏電池的效能，太陽(yáng)能電池列陣工作在最大功率跟蹤點(diǎn)。當(dāng)日光充足時(shí)，太陽(yáng)能陣列除保證負(fù)載的正常供電外，將多余能量通過(guò)雙向DC-DC變換器存儲(chǔ)到蓄電池中；當(dāng)日光不足時(shí)，太陽(yáng)能陣列不足以提供負(fù)載所需的電能，雙向DC-DC變換器工作在反向模式，由蓄電池向負(fù)載提供電能。雙向DC-DC變換器充當(dāng)蓄電池的充電器和放電器，它設(shè)計(jì)的好壞直接影響到航天器上蓄電池的利用效率和壽命長(zhǎng)短。 另外適合于偏遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用的太陽(yáng)能照明裝置中，雙向DC-DC變換器可以減少變換器的個(gè)數(shù)，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的效率[9]。 圖1-5 航天直流電源系統(tǒng) Fig1-5 DC power for the space station 1.3.3 電動(dòng)汽車、各種重型車輛的車載電源系統(tǒng) 電動(dòng)汽車、各種重型車輛的車載電源系統(tǒng)中，雙向DC-DC變換器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本論文即是要研究應(yīng)用在該領(lǐng)域的一種雙向DC-DC變換器。在電動(dòng)汽車中，電動(dòng)機(jī)是典型的有源負(fù)載，從其輸入端來(lái)看既能輸出能量也可吸入能量。雙向DC-DC變換器的一大應(yīng)用場(chǎng)合便是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，特別是應(yīng)用蓄電池為能源的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[3][9-13]。由于電動(dòng)汽車的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度極寬，頻繁加減速，而且蓄電池的電壓變化范圍很大，相對(duì)于一般的驅(qū)動(dòng)方法，使用雙向DC-DC變換器可以明顯提高電機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能;一方面，雙向DC-DC變換器可以將制動(dòng)剎車時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化而來(lái)的電能回饋給蓄電池，這樣，不但可以節(jié)省能源，提高效率，優(yōu)化電機(jī)控制性能，同時(shí)還可以避免在使用單向DC-DC變換器時(shí)出現(xiàn)的變換器輸出端出現(xiàn)浪涌電壓等不利情況。在坦克、裝甲車等重型車輛中，仍采用柴油或汽油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，作為車中其他設(shè)備的供電電源，但發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)需要電源。通常的辦法是，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)由蓄電池(12V或24V)經(jīng)雙向DC-DC變換器升壓至300V給電機(jī)供電，讓電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完畢，電機(jī)即由電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)，為車中其他設(shè)備提供電源，同時(shí)經(jīng)雙向DC-DC變換器給蓄電池充電。 對(duì)直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，可采用圖1-6所示的雙向DC-DC變換器直接驅(qū)動(dòng)。對(duì)于交流電機(jī)、同步電機(jī)、永磁無(wú)刷電機(jī)等電機(jī)則采用間接驅(qū)動(dòng)的方法，雙向DC-DC變換器可以調(diào)節(jié)逆變器的輸入電壓，并使得回饋制動(dòng)控制容易。近年來(lái)，一些低輸入感抗的電機(jī)應(yīng)用越來(lái)越多，主要得益于它的功率密度高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低、轉(zhuǎn)動(dòng)平滑以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)于通常的固定電壓驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)講，低感抗必然意味著會(huì)出現(xiàn)大的電流紋波，同時(shí)造成大的鐵耗和開(kāi)關(guān)損耗，這時(shí)使用雙向DC-DC變換器就可以解決這個(gè)問(wèn)題。 圖1-6 雙向DC-DC變換器直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī) Fig1-6 Bi-directional DC-DC converterdriving DC motor directly 燃料電池和混合能源電動(dòng)汽車也需要雙向DC-DC變換器，如圖1-7所示，燃料電池系統(tǒng)中一般含有一個(gè)壓縮電機(jī)消耗單元，正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，該壓縮機(jī)可由燃料電池輸出電壓供電，但在電動(dòng)汽車啟動(dòng)時(shí)，燃料電池電壓尚未建立起來(lái)，需要輔助電源來(lái)供電。這個(gè)輔助電源有兩個(gè)功用：1)在燃料電池發(fā)電前通過(guò)雙向DC-DC變換器升壓，提供高電壓總線的能量；2)當(dāng)汽車制動(dòng)時(shí)，逆變器和雙向DC-DC變換器再將再生制動(dòng)的能量存儲(chǔ)到蓄電池中。雙向DC-DC變換器在電動(dòng)汽車和車載、艦載系統(tǒng)中的應(yīng)用還包括為彌補(bǔ)蓄電池瞬時(shí)輸出功率有限的缺陷，通過(guò)加入超容電容和雙向DC-DC變換器達(dá)到增加瞬時(shí)功率，從而提高系統(tǒng)的加減速性能[14][15]。 圖1-7 燃料電池電動(dòng)汽車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) Fig1-7 Power driving system of fuel cell vehicles 1.3.4 蓄電池能量?jī)?chǔ)備系統(tǒng) 雙向DC-DC變換器還應(yīng)用于蓄電池能量?jī)?chǔ)備系統(tǒng)[16]，以達(dá)到電網(wǎng)調(diào)峰、高效用電以及提高電網(wǎng)質(zhì)量的目的，同時(shí)也可加入有源濾波功能。另外，雙向DC-DC變換器也可應(yīng)用于地面的大功率直流儲(chǔ)能系統(tǒng)中。 1.4 雙向DC-DC變換器軟開(kāi)關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀 硬開(kāi)關(guān)雙向DC-DC變換器在電流連續(xù)工作模式下會(huì)遇到嚴(yán)重的問(wèn)題，這往往與有源開(kāi)關(guān)器件(如MOSFET)的體內(nèi)寄生二極管有關(guān)，因它關(guān)斷過(guò)程中的反向恢復(fù)電流而產(chǎn)生的電流尖峰對(duì)開(kāi)關(guān)器件有極大的危害。一種解決辦法就是采用額外串并快速二極管的方法，這樣在一定程度上減小了反向恢復(fù)電流，但不足之處是除了增加半導(dǎo)體器件外，還會(huì)增加變換器的通態(tài)損耗，對(duì)非高壓應(yīng)用場(chǎng)合中提高效率并沒(méi)有貢獻(xiàn)。由于雙向DC-DC變換器的應(yīng)用場(chǎng)合的特殊性，一般需要其體積盡可能減小，重量盡可能減輕。為提高其功率密度和動(dòng)態(tài)性能，雙向DC-DC變換器正向高頻化方向發(fā)展，而高頻化必需要解決好開(kāi)關(guān)損耗問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在雙向DC-DC變換器方面的研究重點(diǎn)也主要集中在這個(gè)方面：高頻化的同時(shí)如何使用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)降低其開(kāi)關(guān)損耗，從而提高變換器的效率。 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)給DC-DC變換器的性能帶來(lái)了很大的改進(jìn)，它降低了開(kāi)關(guān)器件的電壓電流應(yīng)力，軟化了器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程，減小了開(kāi)關(guān)損耗，提高了變換器的工作效率。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)為變換器的高頻化提供了可能性，從而大大縮小了變換器的體積和重量，功率密度和動(dòng)態(tài)性能得到了提高，另外，也有助于減小變換器對(duì)其它電子設(shè)備的電磁干擾。 多年來(lái)，單向直流變換器軟開(kāi)關(guān)技術(shù)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，但不能簡(jiǎn)單地把它們套用到雙向DC-DC變換器中，因?yàn)楫?dāng)能量傳輸方向改變之后，軟開(kāi)關(guān)的諧振時(shí)序通常會(huì)改變，這樣不但實(shí)現(xiàn)不了變換器的軟開(kāi)關(guān)工作，甚至可能增加開(kāi)關(guān)應(yīng)力和損耗。因此在某些應(yīng)用場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)雙向的軟開(kāi)關(guān)較為困難，所以，在某些應(yīng)用場(chǎng)合，變換器在功率傳輸大的方向上使用軟開(kāi)關(guān)工作模式，而在功率傳輸小的方向上仍以硬開(kāi)關(guān)工作模式為主。 近年來(lái)，己有不少軟開(kāi)關(guān)雙向DC-DC變換器電路拓?fù)涑霈F(xiàn)，現(xiàn)討論幾種: 1） 諧振類雙向DC-DC變換器[17] 諧振技術(shù)是出現(xiàn)較早的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。它降低了開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗，但該變換器需要變頻工作，使得變換器的閉環(huán)控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)困難，而且很難削減變換器的噪聲。如圖1-8所示。 圖1-8 ZCS/ZVS-SCyR Buck/Boost雙向DC-DC變換器 Fig1-8 ZCS/ZVS-SCyR Buck/Boost bi-directional DC-DC converter 其中Lr，Cr為諧振電感和諧振電容。而如圖1-9所示的電路拓?fù)錇楹泐l零電壓開(kāi)關(guān)多諧振雙向DC-DC變換器，其中S1，S2均為零電壓開(kāi)關(guān)工作。恒頻多諧振雙向DC-DC變換器在輸入電壓或負(fù)載變化時(shí)，都是通過(guò)調(diào)節(jié)變換器中兩個(gè)開(kāi)關(guān)管各自的開(kāi)通持續(xù)時(shí)間來(lái)保證頻率不變，并且仍能維持軟開(kāi)關(guān)工作。諧振類變換器存在功率期間的電壓、電流應(yīng)力大，通態(tài)損耗高，軟開(kāi)關(guān)的負(fù)載范圍受到限制等缺陷，還有諧振類變換器對(duì)器件的寄生參數(shù)分散性較為敏感，不太適合工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，多數(shù)諧振類雙向DC-DC變換器僅適用百瓦以下的小功率場(chǎng)合。 圖1-9 恒頻零電壓開(kāi)關(guān)多諧振雙向DC-DC變換器 Fig1-9 ZVS mul-resonance bi-directional DC-DC converter with constant frequency 2) 準(zhǔn)方波零電壓PWM雙向DC-DC變換器 如圖1-10所示，開(kāi)關(guān)以互補(bǔ)方式工作。變換器在主功率電感的作用下，每一個(gè)開(kāi)關(guān)在其開(kāi)通前，有電流流經(jīng)其反并聯(lián)二極管，兩端電壓被降低到零，這樣為功率開(kāi)關(guān)提供了零電壓開(kāi)通條件。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是拓?fù)渑c常規(guī)硬開(kāi)關(guān)雙向DC-DC變換器相同，恒頻控制，但缺點(diǎn)是存在的電流紋波超過(guò)兩倍負(fù)載電流，因此該變換器的開(kāi)關(guān)器件通態(tài)損耗和主電感電流紋波過(guò)大，造成磁芯損耗較高，影響了變換效率。為減小變換器的損耗，一般采用并加功率管和多模塊技術(shù)。 圖1-10 準(zhǔn)方波零電壓PWM雙向DC-DC變換器 Fig1-10 Quasi-square wave ZVS PWM bi-directional DC-DC converter 3) FB-ZVS-PWM雙向DC-DC變換器[18] 橋式雙向DC-DC變換器較容易通過(guò)相移控制實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，恒頻控制，而且一般不用增加輔助器件即可實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，對(duì)系統(tǒng)的寄生參數(shù)不敏感，變換器中器件的電壓電流應(yīng)力較小，較適于高壓場(chǎng)合，同單向DC-DC橋式變換器類似，變換器橋臂內(nèi)部開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)工作，利用隔離變壓器漏感中儲(chǔ)備的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)橋臂的零電壓開(kāi)關(guān)。同樣，不足之處是變換器存在較大內(nèi)部循環(huán)能量，通態(tài)損耗較高，輕載時(shí)不能實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)工作。 4) 無(wú)源緩沖器類雙向DC-DC變換器 無(wú)源緩沖器技術(shù)是給變換器加入無(wú)源網(wǎng)絡(luò)來(lái)軟化變換器中有源開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)過(guò)程，吸收過(guò)沖。優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有額外引入輔助有源開(kāi)關(guān)，不增加原變換器的控制復(fù)雜度。如圖1-11所示，其中Cr，Lr，Dr，Dp組成了額外加入的無(wú)源緩沖網(wǎng)絡(luò)，它吸收了副邊電壓回饋電路中的電壓尖峰，相對(duì)于最簡(jiǎn)單的RCD吸收器，它基本不消耗功率，其缺點(diǎn)是不能完全抑制電壓尖峰，只是緩沖。 圖1-11 一種應(yīng)用無(wú)源緩沖器的橋式雙向DC-DC變換器 Fig1-11 A bridge bi-directional DC-DC converter using the passive buffer 5) 有源緩沖器類雙向DC-DC變換器 通過(guò)加入一些有源緩沖器來(lái)達(dá)到零電壓轉(zhuǎn)換(ZVT)或零電流轉(zhuǎn)換(ZCT)為目的的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它們的共同點(diǎn)是變換器基本保持一般的PWM方式工作，額外引入的輔助有源開(kāi)關(guān)和輔助諧振網(wǎng)絡(luò)，只是在主開(kāi)關(guān)管開(kāi)通或關(guān)斷之前工作一小段時(shí)間，使得主開(kāi)關(guān)管工作于軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，此外，器件的電壓應(yīng)力較小。這類變換器的缺點(diǎn)是所需輔助開(kāi)關(guān)管數(shù)目與主開(kāi)關(guān)管數(shù)目一樣多，而且往往輔助管工作為硬開(kāi)關(guān)或軟開(kāi)關(guān)的條件不理想。 6) 有源鉗位類雙向DC-DC變換器[19] 有源鉗位技術(shù)近十年來(lái)在單向DC-DC變換器中得到了廣泛的應(yīng)用，通過(guò)加入有源鉗位支路能有效地將主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷后的電壓鉗位，去除了電壓過(guò)沖和振蕩，減小了器件的電壓應(yīng)力，而且在一定條件下也可實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。當(dāng)然有源鉗位技術(shù)也可用于雙向DC-DC變換器，如圖1-12所示，Sc，Cc組成了有源鉗位輔助回路。該種拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是:①消除了無(wú)有源鉗位輔助回路時(shí)電流饋全橋端存在電壓應(yīng)力大的缺陷;②在正向工作中，變換器以有源鉗位隔離式Boost電路方式工作，變換器左端全橋和輔助鉗位開(kāi)關(guān)管均可工作于ZVS狀態(tài);反向工作中，變換器右端的全橋以移相方式工作，并通過(guò)左端全橋和輔助鉗位管的配合工作，削減了移相工作中變換器中的循環(huán)能量，同時(shí)維持了左端全橋的零電壓零電流軟開(kāi)關(guān)工作條件。其不足之處有:①正向工作中由于有源鉗位工作方式引起的變換器電流應(yīng)力較大，造成通態(tài)損耗變高;②反向工作時(shí)，輔助鉗位管是硬開(kāi)關(guān)工作的。 圖1-12 有源鉗位類雙向DC-DC變換器 Fig1-12 Bi-directional DC-DC converter with the active clamper 1.5 本論文的目的和主要工作 雙向DC-DC功率變換器要在電動(dòng)汽車、航天等許多應(yīng)用場(chǎng)合獲得實(shí)際應(yīng)用仍面臨三大問(wèn)題，即雙向DC-DC功率變換器的功率密度、電磁兼容性和成本問(wèn)題。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是解決功率密度和電磁兼容性問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)。目前雙向DC-DC功率變換器的軟開(kāi)關(guān)方法主要可以分為采用輔助開(kāi)關(guān)軟開(kāi)關(guān)方法和不采用輔助開(kāi)關(guān)軟開(kāi)關(guān)方法。采用輔助開(kāi)關(guān)的軟開(kāi)關(guān)法有：零電壓轉(zhuǎn)換（ZVT）和零電流轉(zhuǎn)換（ZCT）雙向DC-DC功率變換器、有源鉗位雙向DC-DC功率變換器。零電壓轉(zhuǎn)換（ZVT）和零電流轉(zhuǎn)換（ZCT）雙向DC-DC功率變換器結(jié)合了PWM工作和諧振變換器的優(yōu)點(diǎn)，但需要額外引入輔助開(kāi)關(guān)，且輔助開(kāi)關(guān)通常為硬開(kāi)關(guān)，在輔助開(kāi)關(guān)上仍存在較大的開(kāi)關(guān)損耗，因此實(shí)用性并不高。有源鉗位的雙向DC-DC功率變換器也結(jié)合了PWM工作和諧振變換器的優(yōu)點(diǎn)，但是也需要額外引入輔助開(kāi)關(guān)。典型的有源鉗位電流饋全橋式雙向DC-DC功率變換器雖然正向工作時(shí)可以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，但反向工作時(shí)輔助鉗位開(kāi)關(guān)為硬開(kāi)關(guān)。因此，目前，采用輔助開(kāi)關(guān)的軟開(kāi)關(guān)雙向DC-DC功率變換器存在電路元件多，需要額外引入的輔助開(kāi)關(guān)及其控制電路等缺點(diǎn)，因此影響成本和功率密度。而且，仍存在由于硬開(kāi)關(guān)操作造成的開(kāi)關(guān)損耗和電磁干擾問(wèn)題。不采用輔助開(kāi)關(guān)軟開(kāi)關(guān)方法有：諧振、準(zhǔn)諧振、多諧振雙向DC-DC功率變換器、準(zhǔn)方波零電壓開(kāi)關(guān)雙向DC-DC功率變換器、相移控制雙向DC-DC功率變換器。它們的顯著有點(diǎn)是無(wú)需增加輔助器件即可實(shí)現(xiàn)功率器件的零電壓或零電流開(kāi)關(guān)條件，電路簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)。但諧振、準(zhǔn)諧振、多諧振技術(shù)的雙向DC-DC功率變換器由于基于LC諧振工作原理，存在功率器件電壓、電流應(yīng)力大，通態(tài)損耗高，軟開(kāi)關(guān)的負(fù)載范圍受限等嚴(yán)重缺陷。而且，它們采用變頻控制，電路參數(shù)優(yōu)化困難，最終影響功率密度的提高。軟開(kāi)關(guān)準(zhǔn)方波零電壓開(kāi)關(guān)雙向DC-DC功率變換器雖然可以定額工作，但存在電流脈動(dòng)大、功率器件通態(tài)損耗和鐵心損耗大的缺點(diǎn)。相移控制雙向DC-DC功率變換器具有功率器件電壓、電流應(yīng)力小，額定工作無(wú)需增加輔助器件即可實(shí)現(xiàn)功率器件的零電壓開(kāi)關(guān)條件等優(yōu)點(diǎn)。但當(dāng)相移控制雙向DC-DC功率變換器的輸入電壓或輸出電壓偏離標(biāo)稱電壓時(shí)，相移控制在電路中造成嚴(yán)重環(huán)流，導(dǎo)致通態(tài)損耗的迅速增加和軟開(kāi)關(guān)條件的破壞。在電動(dòng)汽車、航天等能量管理系統(tǒng)中，無(wú)論是雙向DC-DC功率變換器的輸入還是輸出，電壓的變化范圍很大，相移控制雙向DC-DC功率變換器的應(yīng)用也遇到了嚴(yán)重的障礙。 考慮到相移控制具有不采用輔助開(kāi)關(guān)即可實(shí)現(xiàn)雙向DC-DC功率變換器零電壓開(kāi)關(guān)的能力，但當(dāng)輸入電壓或輸出電壓偏離標(biāo)稱電壓時(shí)，環(huán)流嚴(yán)重，通態(tài)損耗大，軟開(kāi)關(guān)范圍變窄。而PWM控制具有器件的電壓電流應(yīng)力低、通態(tài)損耗小、無(wú)環(huán)流的優(yōu)點(diǎn)，但功率開(kāi)關(guān)為硬開(kāi)關(guān)。若能將相移控制和PWM相結(jié)合，發(fā)揮PWM控制對(duì)雙向DC-DC功率變換器的輸入和輸出電壓大范圍變化適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮移相控制具有無(wú)須輔助開(kāi)關(guān)即可實(shí)現(xiàn)雙向DC-DC功率變換器零電壓開(kāi)關(guān)的能力優(yōu)勢(shì)，就可較好的解決雙向DC-DC變換器在目前應(yīng)用中所遇到的問(wèn)題。 本文在閱讀了大量雙向DC－DC變換器的資料，深入了解最新研究動(dòng)態(tài)和方向的基礎(chǔ)上，分析介紹了一種新型的中、小功率雙向半橋零電壓（ZVS）DC-DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。把軟開(kāi)關(guān)技術(shù)和PWM控制技術(shù)以及雙向DC-DC變換器技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起，有效降低了電路的開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲，減少了器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的電磁干擾，為變換器裝置提高開(kāi)關(guān)頻率、提高效率、降低尺寸及重量提供了良好的條件。同時(shí)，還保持了常規(guī)的硬開(kāi)關(guān)半橋PWM雙向DC-DC變換器中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、控制方式簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)頻率恒定，元器件的電壓和電流應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)。 論文主要完成以下工作： 1) 介紹了一種雙向半橋零電壓（ZVS）DC-DC變換器。該變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不用輔助電路就可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓通斷。 2) 詳細(xì)分析了該變換器的工作原理，根據(jù)各個(gè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，推導(dǎo)出不同時(shí)間段的等效電路結(jié)構(gòu)，給出了實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的條件。 3) 討論了電路中主要元件參數(shù)的選取原則，并通過(guò)仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。 4) 介紹了DSP的選取，系統(tǒng)的主控制電路，采樣電路，保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路的方案。 5) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本課題方案的正確性和可行性。 2 雙向半橋DC-DC變換器的工作原理 2.1 引言 本章對(duì)一種雙向半橋零電壓（ZVS）DC-DC 變換器拓?fù)鋱D進(jìn)行了原理分析。它可以不用輔助電路就可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的零電壓通斷，而且轉(zhuǎn)換效率高和控制電路簡(jiǎn)單。該變換器的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，隔離變壓器的兩端各有一個(gè)對(duì)稱半橋。變換器中的功率傳輸由兩個(gè)對(duì)稱半橋之間的相移控制。無(wú)需另外加入任何輔助開(kāi)關(guān)或無(wú)源諧振網(wǎng)絡(luò),變換器中的所有開(kāi)關(guān)均可在雙向變換中工作于零電壓開(kāi)通狀態(tài)，且開(kāi)關(guān)的電壓應(yīng)力低。另外電路中沒(méi)有大的延時(shí)器件存在,變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快。此變換器主要用于混合動(dòng)力汽車燃料電池的輔助啟動(dòng)。 2.2 雙向DC-DC變換器的工作原理 圖2-1 為該變換器的拓?fù)鋱D。變換器的隔離變壓器兩端各有一個(gè)雙半橋結(jié)構(gòu)。和雙向全橋變換器相比，元器件的數(shù)量減少了一半。另外在能量雙向流動(dòng)時(shí)，沒(méi)有輔助設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓（ZVS）通斷。開(kāi)關(guān)器件S1~S4的占空比為0.5。通過(guò)控制兩個(gè)變換單元之間的相位關(guān)系來(lái)調(diào)節(jié)兩個(gè)直流源之間的能量傳輸。圖中LS為變換器隔離變壓器的漏感。它是變換器能量傳輸?shù)闹匾?，同時(shí)也保證了變換器的軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)。輸入方波電源Vr1的正負(fù)幅值為V1和-V1，輸出方波電源Vr2的正負(fù)幅值為NV3和-NV3。當(dāng)輸入方波電源Vr1的幅值和輸出方波電源V r2的幅值匹配時(shí)，即V1= NV3，簡(jiǎn)化電路的主要原理波形如圖2-2所示(N=n1/n2為變壓器原、副邊的繞組匝比)。但當(dāng)輸入方波電源Vr1的幅值和輸出方波電源Vr2的幅值不匹配時(shí)，如V1下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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