數(shù)字控制雙向半橋DC-DC變換器的設計
《數(shù)字控制雙向半橋DC-DC變換器的設計》由會員分享,可在線閱讀,更多相關(guān)《數(shù)字控制雙向半橋DC-DC變換器的設計(80頁珍藏版)》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
目錄 0 引言 1 1 概述 2 1.1 研究內(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 蓄電池能量儲備系統(tǒng) 7 1.4 雙向DC-DC變換器軟開關(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)設計 24 3.1 變壓器漏感的設計 24 3.2 輸入電感的設計 26 3.3 開關(guān)管應力 26 3.4 隔直電容的選取 26 3.5 半橋臂開關(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保護電路 42 5.7 DC/DC變換器的驅(qū)動電路 43 6 控制系統(tǒng)軟件設計 45 6.1 主程序設計 45 6.2 中斷服務程序設計 46 6.3 基于DSP的直接移相脈沖生成方法 47 7 技術(shù)經(jīng)濟性分析 49 8 總結(jié) 50 致謝 51 參考文獻 52 附錄A 54 附錄B 64 **大學畢業(yè)設計(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科,是電力行業(yè)中廣泛運用的電子技術(shù)。從上世紀60年代開始,電力電子技術(shù)作為一門新興的學科得到迅速地發(fā)展,它是以研究和應用半導體器件來實現(xiàn)電力變換和控制的技術(shù),是一門由電工、電力半導體器件以及控制技術(shù)相互交叉而出現(xiàn)的新興學科。 電力電子技術(shù)研究的內(nèi)容非常廣泛,包括電力半導體器件、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)是開關(guān)電源的基礎和核心。 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變換器的應用日益廣泛。尤其是軟開關(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,開關(guān)技術(shù)的應用可以降低雙向DC-DC變換器的開關(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)、電動汽車等車載電源系統(tǒng)、直流功率放大器以及蓄電池儲能等場合都得到了廣泛的應用。 1 概述 1.1 研究內(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。人們對它的研究越來越感興趣。本章簡單介紹了雙向DC-DC變換器的原理和用途。針對雙向DC-DC變換器的研究現(xiàn)狀,闡明了開展雙向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變換器可廣泛的應用于直流不停電電源系統(tǒng)、航天電源系統(tǒng)、混合電動汽車中的輔助動力供應系統(tǒng)、直流電機驅(qū)動系統(tǒng)及其它應用場合[1-3]。在這些需要能量雙向流動的場合,兩側(cè)都是直流電壓源或直流有源負載,它們的電壓極性保持不變,希望能量雙向流動,也就是電流的雙向流動。這就需要雙向DC-DC變換器。其結(jié)構(gòu)如圖 1-1(a)所示,在兩個直流電壓源之間有一個雙向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)實際需要來控制能量的流動方向,即可以使能量從V1傳輸?shù)絍2 (此時I1為負,而I2為正),也可以使能量從V2傳輸?shù)絍1(此時I1為正,而I2為負)。用通常的單向 DC-DC 變換器也可以實現(xiàn)能量的雙向流動,但是這時就需要將兩個單向DC-DC變換器反并聯(lián),因為通常的單向DC-DC變換器中主功率傳輸通路上一般都有二極管這個環(huán)節(jié),因此能量經(jīng)由變換器流動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被用來控制處理從V1到V2的能量流動,當需要能量反向流動時就使用單向DC-DC變換器②。與采用兩個單向 DC-DC變換器反并聯(lián)來達到能量雙向傳輸?shù)姆桨赶啾?,雙向DC-DC變換器應用同一個變換器來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行兩個方向功率變換的切換。再者,在低壓大電流場合,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、動態(tài)性能好和成本低等優(yōu)勢。 (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。當外部交流輸入電源掉線時,負載由蓄電池來提供能量。正常供電時,交流輸入對蓄電池浮充。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,很多直流負載對輸入電壓的穩(wěn)定度有一定的要求,所以需在直流負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,交流電能要經(jīng)過AC-DC和DC-DC二級變換,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)過雙向DC-DC變換器并到直流總線上[5][6]。正常供電時,交流輸入電源除了對負載供電外,還通過雙向DC-DC變換器對蓄電池充電。當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,正常供電時,經(jīng)過一級 AC-DC變換,向負載供電,提高了變換效率;2)運用雙向DC-DC變換器單獨控制蓄電池的充放電,更容易優(yōu)化充放電過程,可以延長蓄電池的壽命。 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)的能源主要由太陽能電池陣列和蓄電池組成,航天系統(tǒng)對電源的體積和重量有嚴格的要求(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,太陽能電池列陣工作在最大功率跟蹤點。當日光充足時,太陽能陣列除保證負載的正常供電外,將多余能量通過雙向DC-DC變換器存儲到蓄電池中;當日光不足時,太陽能陣列不足以提供負載所需的電能,雙向DC-DC變換器工作在反向模式,由蓄電池向負載提供電能。雙向DC-DC變換器充當蓄電池的充電器和放電器,它設計的好壞直接影響到航天器上蓄電池的利用效率和壽命長短。 另外適合于偏遠地區(qū)應用的太陽能照明裝置中,雙向DC-DC變換器可以減少變換器的個數(shù),從而提高整個系統(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 電動汽車、各種重型車輛的車載電源系統(tǒng) 電動汽車、各種重型車輛的車載電源系統(tǒng)中,雙向DC-DC變換器的應用越來越廣泛。本論文即是要研究應用在該領域的一種雙向DC-DC變換器。在電動汽車中,電動機是典型的有源負載,從其輸入端來看既能輸出能量也可吸入能量。雙向DC-DC變換器的一大應用場合便是電機驅(qū)動系統(tǒng),特別是應用蓄電池為能源的電機驅(qū)動系統(tǒng)[3][9-13]。由于電動汽車的電機運轉(zhuǎn)速度極寬,頻繁加減速,而且蓄電池的電壓變化范圍很大,相對于一般的驅(qū)動方法,使用雙向DC-DC變換器可以明顯提高電機的驅(qū)動性能;一方面,雙向DC-DC變換器可以將制動剎車時的動能轉(zhuǎn)化而來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)化電機控制性能,同時還可以避免在使用單向DC-DC變換器時出現(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)動機驅(qū)動,發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電,作為車中其他設備的供電電源,但發(fā)動機的啟動需要電源。通常的辦法是,發(fā)動機啟動時由蓄電池(12V或24V)經(jīng)雙向DC-DC變換器升壓至300V給電機供電,讓電機工作在電動狀態(tài)帶動發(fā)動機啟動,發(fā)動機啟動完畢,電機即由電動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài),為車中其他設備提供電源,同時經(jīng)雙向DC-DC變換器給蓄電池充電。 對直流電機來說,可采用圖1-6所示的雙向DC-DC變換器直接驅(qū)動。對于交流電機、同步電機、永磁無刷電機等電機則采用間接驅(qū)動的方法,雙向DC-DC變換器可以調(diào)節(jié)逆變器的輸入電壓,并使得回饋制動控制容易。近年來,一些低輸入感抗的電機應用越來越多,主要得益于它的功率密度高、轉(zhuǎn)動慣量低、轉(zhuǎn)動平滑以及成本低等優(yōu)點。但對于通常的固定電壓驅(qū)動的方式來講,低感抗必然意味著會出現(xiàn)大的電流紋波,同時造成大的鐵耗和開關(guān)損耗,這時使用雙向DC-DC變換器就可以解決這個問題。 圖1-6 雙向DC-DC變換器直接驅(qū)動直流電機 Fig1-6 Bi-directional DC-DC converterdriving DC motor directly 燃料電池和混合能源電動汽車也需要雙向DC-DC變換器,如圖1-7所示,燃料電池系統(tǒng)中一般含有一個壓縮電機消耗單元,正常運轉(zhuǎn)情況下,該壓縮機可由燃料電池輸出電壓供電,但在電動汽車啟動時,燃料電池電壓尚未建立起來,需要輔助電源來供電。這個輔助電源有兩個功用:1)在燃料電池發(fā)電前通過雙向DC-DC變換器升壓,提供高電壓總線的能量;2)當汽車制動時,逆變器和雙向DC-DC變換器再將再生制動的能量存儲到蓄電池中。雙向DC-DC變換器在電動汽車和車載、艦載系統(tǒng)中的應用還包括為彌補蓄電池瞬時輸出功率有限的缺陷,通過加入超容電容和雙向DC-DC變換器達到增加瞬時功率,從而提高系統(tǒng)的加減速性能[14][15]。 圖1-7 燃料電池電動汽車電力驅(qū)動系統(tǒng) Fig1-7 Power driving system of fuel cell vehicles 1.3.4 蓄電池能量儲備系統(tǒng) 雙向DC-DC變換器還應用于蓄電池能量儲備系統(tǒng)[16],以達到電網(wǎng)調(diào)峰、高效用電以及提高電網(wǎng)質(zhì)量的目的,同時也可加入有源濾波功能。另外,雙向DC-DC變換器也可應用于地面的大功率直流儲能系統(tǒng)中。 1.4 雙向DC-DC變換器軟開關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀 硬開關(guān)雙向DC-DC變換器在電流連續(xù)工作模式下會遇到嚴重的問題,這往往與有源開關(guān)器件(如MOSFET)的體內(nèi)寄生二極管有關(guān),因它關(guān)斷過程中的反向恢復電流而產(chǎn)生的電流尖峰對開關(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電流,但不足之處是除了增加半導體器件外,還會增加變換器的通態(tài)損耗,對非高壓應用場合中提高效率并沒有貢獻。由于雙向DC-DC變換器的應用場合的特殊性,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關(guān)損耗問題。近年來,國內(nèi)外在雙向DC-DC變換器方面的研究重點也主要集中在這個方面:高頻化的同時如何使用軟開關(guān)技術(shù)降低其開關(guān)損耗,從而提高變換器的效率。 軟開關(guān)技術(shù)給DC-DC變換器的性能帶來了很大的改進,它降低了開關(guān)器件的電壓電流應力,軟化了器件的開關(guān)過程,減小了開關(guān)損耗,提高了變換器的工作效率。軟開關(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,功率密度和動態(tài)性能得到了提高,另外,也有助于減小變換器對其它電子設備的電磁干擾。 多年來,單向直流變換器軟開關(guān)技術(shù)取得了長足發(fā)展,但不能簡單地把它們套用到雙向DC-DC變換器中,因為當能量傳輸方向改變之后,軟開關(guān)的諧振時序通常會改變,這樣不但實現(xiàn)不了變換器的軟開關(guān)工作,甚至可能增加開關(guān)應力和損耗。因此在某些應用場合實現(xiàn)雙向的軟開關(guān)較為困難,所以,在某些應用場合,變換器在功率傳輸大的方向上使用軟開關(guān)工作模式,而在功率傳輸小的方向上仍以硬開關(guān)工作模式為主。 近年來,己有不少軟開關(guān)雙向DC-DC變換器電路拓撲出現(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)較早的軟開關(guān)技術(shù)。它降低了開關(guān)器件的開關(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)化設計困難,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所示的電路拓撲為恒頻零電壓開關(guān)多諧振雙向DC-DC變換器,其中S1,S2均為零電壓開關(guān)工作。恒頻多諧振雙向DC-DC變換器在輸入電壓或負載變化時,都是通過調(diào)節(jié)變換器中兩個開關(guān)管各自的開通持續(xù)時間來保證頻率不變,并且仍能維持軟開關(guān)工作。諧振類變換器存在功率期間的電壓、電流應力大,通態(tài)損耗高,軟開關(guān)的負載范圍受到限制等缺陷,還有諧振類變換器對器件的寄生參數(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合。 圖1-9 恒頻零電壓開關(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) 準方波零電壓PWM雙向DC-DC變換器 如圖1-10所示,開關(guān)以互補方式工作。變換器在主功率電感的作用下,每一個開關(guān)在其開通前,有電流流經(jīng)其反并聯(lián)二極管,兩端電壓被降低到零,這樣為功率開關(guān)提供了零電壓開通條件。該技術(shù)的優(yōu)點是拓撲與常規(guī)硬開關(guān)雙向DC-DC變換器相同,恒頻控制,但缺點是存在的電流紋波超過兩倍負載電流,因此該變換器的開關(guān)器件通態(tài)損耗和主電感電流紋波過大,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變換器較容易通過相移控制實現(xiàn)軟開關(guān),優(yōu)點是控制簡單,恒頻控制,而且一般不用增加輔助器件即可實現(xiàn)軟開關(guān),對系統(tǒng)的寄生參數(shù)不敏感,變換器中器件的電壓電流應力較小,較適于高壓場合,同單向DC-DC橋式變換器類似,變換器橋臂內(nèi)部開關(guān)管互補工作,利用隔離變壓器漏感中儲備的能量來實現(xiàn)橋臂的零電壓開關(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,輕載時不能實現(xiàn)軟開關(guān)工作。 4) 無源緩沖器類雙向DC-DC變換器 無源緩沖器技術(shù)是給變換器加入無源網(wǎng)絡來軟化變換器中有源開關(guān)元件的開關(guān)過程,吸收過沖。優(yōu)點是沒有額外引入輔助有源開關(guān),不增加原變換器的控制復雜度。如圖1-11所示,其中Cr,Lr,Dr,Dp組成了額外加入的無源緩沖網(wǎng)絡,它吸收了副邊電壓回饋電路中的電壓尖峰,相對于最簡單的RCD吸收器,它基本不消耗功率,其缺點是不能完全抑制電壓尖峰,只是緩沖。 圖1-11 一種應用無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 通過加入一些有源緩沖器來達到零電壓轉(zhuǎn)換(ZVT)或零電流轉(zhuǎn)換(ZCT)為目的的拓撲結(jié)構(gòu),它們的共同點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關(guān)和輔助諧振網(wǎng)絡,只是在主開關(guān)管開通或關(guān)斷之前工作一小段時間,使得主開關(guān)管工作于軟開關(guān)狀態(tài),此外,器件的電壓應力較小。這類變換器的缺點是所需輔助開關(guān)管數(shù)目與主開關(guān)管數(shù)目一樣多,而且往往輔助管工作為硬開關(guān)或軟開關(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)近十年來在單向DC-DC變換器中得到了廣泛的應用,通過加入有源鉗位支路能有效地將主開關(guān)管關(guān)斷后的電壓鉗位,去除了電壓過沖和振蕩,減小了器件的電壓應力,而且在一定條件下也可實現(xiàn)軟開關(guān)。當然有源鉗位技術(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。該種拓撲的優(yōu)點是:①消除了無有源鉗位輔助回路時電流饋全橋端存在電壓應力大的缺陷;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,同時維持了左端全橋的零電壓零電流軟開關(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力較大,造成通態(tài)損耗變高;②反向工作時,輔助鉗位管是硬開關(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汽車、航天等許多應用場合獲得實際應用仍面臨三大問題,即雙向DC-DC功率變換器的功率密度、電磁兼容性和成本問題。軟開關(guān)技術(shù)是解決功率密度和電磁兼容性問題的關(guān)鍵技術(shù)。目前雙向DC-DC功率變換器的軟開關(guān)方法主要可以分為采用輔助開關(guān)軟開關(guān)方法和不采用輔助開關(guān)軟開關(guān)方法。采用輔助開關(guān)的軟開關(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,但需要額外引入輔助開關(guān),且輔助開關(guān)通常為硬開關(guān),在輔助開關(guān)上仍存在較大的開關(guān)損耗,因此實用性并不高。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,但是也需要額外引入輔助開關(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可以實現(xiàn)軟開關(guān),但反向工作時輔助鉗位開關(guān)為硬開關(guān)。因此,目前,采用輔助開關(guān)的軟開關(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關(guān)及其控制電路等缺點,因此影響成本和功率密度。而且,仍存在由于硬開關(guān)操作造成的開關(guān)損耗和電磁干擾問題。不采用輔助開關(guān)軟開關(guān)方法有:諧振、準諧振、多諧振雙向DC-DC功率變換器、準方波零電壓開關(guān)雙向DC-DC功率變換器、相移控制雙向DC-DC功率變換器。它們的顯著有點是無需增加輔助器件即可實現(xiàn)功率器件的零電壓或零電流開關(guān)條件,電路簡單、可靠、經(jīng)濟。但諧振、準諧振、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、電流應力大,通態(tài)損耗高,軟開關(guān)的負載范圍受限等嚴重缺陷。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。軟開關(guān)準方波零電壓開關(guān)雙向DC-DC功率變換器雖然可以定額工作,但存在電流脈動大、功率器件通態(tài)損耗和鐵心損耗大的缺點。相移控制雙向DC-DC功率變換器具有功率器件電壓、電流應力小,額定工作無需增加輔助器件即可實現(xiàn)功率器件的零電壓開關(guān)條件等優(yōu)點。但當相移控制雙向DC-DC功率變換器的輸入電壓或輸出電壓偏離標稱電壓時,相移控制在電路中造成嚴重環(huán)流,導致通態(tài)損耗的迅速增加和軟開關(guān)條件的破壞。在電動汽車、航天等能量管理系統(tǒng)中,無論是雙向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功率變換器的應用也遇到了嚴重的障礙。 考慮到相移控制具有不采用輔助開關(guān)即可實現(xiàn)雙向DC-DC功率變換器零電壓開關(guān)的能力,但當輸入電壓或輸出電壓偏離標稱電壓時,環(huán)流嚴重,通態(tài)損耗大,軟開關(guān)范圍變窄。而PWM控制具有器件的電壓電流應力低、通態(tài)損耗小、無環(huán)流的優(yōu)點,但功率開關(guān)為硬開關(guān)。若能將相移控制和PWM相結(jié)合,發(fā)揮PWM控制對雙向DC-DC功率變換器的輸入和輸出電壓大范圍變化適應性強的優(yōu)勢,發(fā)揮移相控制具有無須輔助開關(guān)即可實現(xiàn)雙向DC-DC功率變換器零電壓開關(guān)的能力優(yōu)勢,就可較好的解決雙向DC-DC變換器在目前應用中所遇到的問題。 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態(tài)和方向的基礎上,分析介紹了一種新型的中、小功率雙向半橋零電壓(ZVS)DC-DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)。把軟開關(guān)技術(shù)和PWM控制技術(shù)以及雙向DC-DC變換器技術(shù)有機結(jié)合在一起,有效降低了電路的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲,減少了器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的電磁干擾,為變換器裝置提高開關(guān)頻率、提高效率、降低尺寸及重量提供了良好的條件。同時,還保持了常規(guī)的硬開關(guān)半橋PWM雙向DC-DC變換器中拓撲結(jié)構(gòu)簡潔、控制方式簡單、開關(guān)頻率恒定,元器件的電壓和電流應力小等優(yōu)點。 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)簡單,不用輔助電路就可以實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓通斷。 2) 詳細分析了該變換器的工作原理,根據(jù)各個開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài),推導出不同時間段的等效電路結(jié)構(gòu),給出了實現(xiàn)軟開關(guān)的條件。 3) 討論了電路中主要元件參數(shù)的選取原則,并通過仿真進行了驗證。 4) 介紹了DSP的選取,系統(tǒng)的主控制電路,采樣電路,保護電路和驅(qū)動電路的方案。 5) 通過實驗驗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 本章對一種雙向半橋零電壓(ZVS)DC-DC 變換器拓撲圖進行了原理分析。它可以不用輔助電路就可以實現(xiàn)開關(guān)的零電壓通斷,而且轉(zhuǎn)換效率高和控制電路簡單。該變換器的結(jié)構(gòu)很簡單,隔離變壓器的兩端各有一個對稱半橋。變換器中的功率傳輸由兩個對稱半橋之間的相移控制。無需另外加入任何輔助開關(guān)或無源諧振網(wǎng)絡,變換器中的所有開關(guān)均可在雙向變換中工作于零電壓開通狀態(tài),且開關(guān)的電壓應力低。另外電路中沒有大的延時器件存在,變換器的動態(tài)響應較快。此變換器主要用于混合動力汽車燃料電池的輔助啟動。 2.2 雙向DC-DC變換器的工作原理 圖2-1 為該變換器的拓撲圖。變換器的隔離變壓器兩端各有一個雙半橋結(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時,沒有輔助設備就可以實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓(ZVS)通斷。開關(guān)器件S1~S4的占空比為0.5。通過控制兩個變換單元之間的相位關(guān)系來調(diào)節(jié)兩個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)闹匾瑫r也保證了變換器的軟開關(guān)的實現(xiàn)。輸入方波電源Vr1的正負幅值為V1和-V1,輸出方波電源Vr2的正負幅值為NV3和-NV3。當輸入方波電源Vr1的幅值和輸出方波電源V r2的幅值匹配時,即V1= NV3,簡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,如V1- 配套講稿:
如PPT文件的首頁顯示word圖標,表示該PPT已包含配套word講稿。雙擊word圖標可打開word文檔。
- 特殊限制:
部分文檔作品中含有的國旗、國徽等圖片,僅作為作品整體效果示例展示,禁止商用。設計者僅對作品中獨創(chuàng)性部分享有著作權(quán)。
- 關(guān) 鍵 詞:
- 數(shù)字控制 雙向 DC 變換器 設計
裝配圖網(wǎng)所有資源均是用戶自行上傳分享,僅供網(wǎng)友學習交流,未經(jīng)上傳用戶書面授權(quán),請勿作他用。
鏈接地址:http://zhongcaozhi.com.cn/p-9537590.html