雙向dcdc變換器研究畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 變換器中變壓器偏磁問題：變壓器上施加的電壓和工作磁通中的關系由下式給出: （32）一般情況下，電路在平衡狀態下，磁通是對稱的。若由于某種原因導致兩個半周期內施加在高頻變壓器上的電壓不相等(例如開關管的飽和壓降有較大差異)，或是開關管的導通脈寬不相等(例如由于存儲時間的不一致，控制電路輸出脈寬不相等以及反饋環路引起的不對稱等)時，功率轉換電路便工作在不平衡狀態。此時磁通變化的幅度就不相同，磁通在一個周期終了時不能返回到起始點，于是將在一個方向逐漸增大，其工作區域將偏向一個象限，引起磁芯單向飽和，電流急劇上升，從而導致開關管損壞。同樣，全橋電路也會出現偏磁。圖31磁性特性示意圖在脈沖寬度調制的開關變換器中，為滿足輸出特性的需要，脈沖的寬度需要不斷的調整。功率開關管的飽和壓降、存儲時間及控制電路的輸出脈寬等不可能完全一致，反饋回路引起的不對稱也不可能完全消除，因此，在雙向DC一DC變換器中，偏磁是必然存在的。目前采用抗偏磁的措施有以下幾種:（1）對于頻率較低、功率較小的變換器，由于變壓器繞組的阻值較高，自平衡能力較強，可以采用增大磁芯面積，或使磁芯保留一定的氣隙，并適當加大功率器件的容量，可使偏磁的危害得到抑制或緩解。（2）使用MOSFET管可以在一定程度上抑制偏磁問題。這主要是MOSFET沒有存儲時間，如果門極信號導通時間相同，則漏極導通時間也相同。同時MOSFET通態電阻具有正的溫度系數，即溫度升高時，通態電阻增加。導通電流大(或導通時間長)的MOSFET管上功耗大，則通態電阻增大，MOSFET上電壓增大，加在變壓器上的電壓值減少，從而降低V一S值，在一定程度上抑制了偏磁現象的發生。（3） 在高頻變壓器的原邊串聯一無極性電容，可以有效地防止直流偏磁。但是電容的存在降低了功率傳遞的效率，影響了裝置的動態性能。同時，脈沖電壓嚴重不對稱時電容上壓降有可能超過電源電壓的10%，從而使裝置在電源電壓下降或負載波動較大時運行不穩定。（4）盡量選用特性一致的開關管。（5） 用電流型控制方案。通過檢測流過器件的電流，并以此來調整PWM控制器兩路輸出脈沖的寬度，將變壓器勵磁電流控制在一定范圍內，來達到防止偏磁的目的，這是最有效的措施。 電感Lf的設計 放電模式電感電流連續工作主要波形，假設電感L f工作在連續狀態。 中，半個周期 T /2內，Q5 ～ Q8四個開關管同時導通的時間為(1 D )T/2，期間，電感L f儲能，電感L f電流Lfi 線性上升。對管Q5 、Q8（或Q6 、Q7）導通的時間為 DT / 2，電感L f傳遞能量，電流Lfi 線性下降。實驗時，電感 L f= 300μH。 功率開關管的選取當前應用于開關電源中的開關器件，主要是 MOSFET 和 IGBT 兩種，其中MOSFET 的開關損耗主要是開通損耗，其產生原因是 MOSFET 開通時漏源結電容未完全放電；而對于 IGBT 的開關損耗主要為關斷損耗，產生原因是關斷時存在電流拖尾現象。所以在某些場合，尤其在低壓大電流的工作場合下，如果不能實現零電流關斷，則 IGBT 會有較大損耗，所以 IGBT 開關管不適合做低壓側開關管；使用 MOSFET 開關管，易于實現零電壓關斷，并且有很好的頻率特性，有利于提高變換器的開關頻率。所以本試驗進行仿真時選用的是MOSFET 開關管。本章首先介紹變壓器的磁芯選擇和匝數比的計算，然后給出了如何選擇電感和功率開關。第四章DC/DC變換器的PSpice仿真第四章：DC/DC變換器的PSpice仿真DC一DC變換器的基本機構可分為Buck充電電路、Boost放電電路。開環仿真 Buck充電電路簡化仿真圖： Buck充電電路PSpice仿真圖其中，右側的等效電阻 ：。C=100uh。（a） D=40%時，Buck充電電路仿真波形第四章DC/DC變換器的PSpice仿真（b）D=40%時，控制管M1和M2的觸發脈沖的占空比波形圖，分別是40%。理論上在充電模式時 V1=150v，n=3，D=40%，此時V2=40v，可是上圖得出的波形略小于40v。這是由于Mosfet開關管上在導通期間有一定的壓降，所以最后的結果才略小于40v。這是正常的。（c）觸發脈沖U1和U2兩端波形和mosfet管M1兩端電壓波形圖當觸發脈沖U1起作用時，mosfe管M1兩端電壓為零，而當所有的mosfet管都關時，mosfet管M1和M2兩個管分別占V1電壓的一半，也就是75v。當觸發脈沖U2起作用時，Mosfet管M1兩端電壓為V1電壓，也就是150v，如上圖所示。（d）變壓器兩端電壓波形圖 N=n1；n2=3 Boost放電電路簡化仿真圖 Boost放電電路PSpice仿真圖其中，右側的等效電阻 ：。C=100uh。（a）D=60%時，Boost放電電路波形圖 （b）D=60%時，觸發脈沖U5和Mosfet管M5兩端電壓波形有圖可以看出，當Mosfet管M5導通時它的兩端有一定的壓降，所以得出的波形略小于150v。理論上在放電模式時V2=40v，n=3，D=60%，此時V1=150v，可是上圖得出的波形略小于150v。這是由于Mosfet開關管上在導通期間有一定的壓降，所以最后的結果才略小于150v。這是正常的。（c）D=60%時，觸發脈沖UU6的電壓波形和電感Lf兩端的電流波形觀察電感電流，它只有當開關管同時導通時，電感電流在增長，也就是儲能，當M5和M8(或者M6和M7)單獨導通時，由V2和電感上的電能一起經過變壓器給右側的電阻提供能量，實現升壓功能。（d）D=60%時，變壓器兩端的電壓波形 N=n1：n2=3當四個開關管同時導通時，由于再給電感Lf充電，電感Lf電流上升，所以變壓器兩端電壓為零，符合理論。閉環仿真 Bcuk 充電模式閉環仿真 Bcuk 充電模式閉環仿真（a）D=40% Buck充電電路波形圖（b）Buck電路三角載波和調制波信號形成的PWM波占空比為40%.當調節PI調節器和比較器時，三角載波和調制波信號形成的PWM波占空比為40%.D=40%時,V1=150v, 根據公式： ，得出V2=40v。結果正確。 Boost放電模式閉環仿真 Boost放電模式閉環仿真圖（a）D=60% Boost放電電路波形圖（b）Boost電路三角載波和調制波信號形成的PWM波占空比為60%.當調節PI調節器和比較器時，三角載波和調制波信號形成的PWM波占空比為60%. 當 D=60%,V2=40v時, 根據公式，,得出V1=150,結果正確。 本章小結本章利用PSpice分別對Buck充電模式和Boost放電模式做了開環和閉環仿真，對各個階段進行了分析，得出結果了理論一致。34結論結論本文以雙向全橋 DC/DC 變換器為研究對象。從雙向 DC/DC 變換器的基本概念入手，介紹了雙向 DC/DC 變換器的構成方法和分類，進而引出本文要研究的對象：電壓電流組合型隔離型雙向全橋 DC/DC 變換器。（1） 分析雙向全橋 DC/DC 變換器的工作原理，并針對變換器Buck充電模式和Boost放電模式分別分析了工作原理。充電模式時變換器工作原理類似單向全橋直流變換器，高壓側開關管采用PWM控制，低壓側開關管驅動信號封鎖，輸出用低壓側開關管的反并聯二極管實現輸出全橋整流。放電模式時變換器工作原理類似 Boost 全橋變換器，低壓側開關管有驅動信號，高壓側開關管驅動信號封鎖，輸出用高壓側開關管的反并聯二極管實現全橋整流。因此變換器是全橋逆變全橋整流式電壓電流組合型雙向全橋 DC/DC 變換器。（2）利用仿真軟件PSpice對電路進行了開環和閉環仿真。通過對高壓側四個Mosfet管的驅動，實現了降壓功能，通過對低壓側四個Mosfet管的驅動，實現了升壓功能，得出的結果略小于理論值，是由于Mosfet管有一定的壓降。最后通過閉環控制，使得出結果和理論值一樣。總的來說，本課題達到了一定的目標，取得了一定的理想結果，可由于本身學的知識有限，對整體電路的綜合控制和電路優化沒有做得很好，這些工作還有進一步完善。38參考文獻參考文獻[1] 張方華. 朱成花. 王慧貞 等 雙向 DCDC 變換器電路拓撲的分析與評價 電源技術學報 , , 2003，332338；[2] 朱成花. 張方華. 嚴仰光 兩端穩壓軟開關雙向 Buck/Boost 變換器研究 南京航空航天大學學報 2004，Vol. 36. ，226230；[3] 張方華. 嚴仰光. 帶隔離變壓器的 DC/DC 變換器的 ZCT 方案 中國電機工程學報 Vol. ，2003，6366；[4] 趙同賀. 劉 軍. 關電源設計技術與應用實例 北京:人民郵電出版社 2007。[5] 王兆安. 黃俊. 電力電子技術 第4版. 北京: 機械工業出版社，2000；[6] 袁進北. 馬瑞卿. 樊平. 帶輔助諧振的移相全橋ZVS DC／DC變換器研究電子技術,2008,42(5)：23—25。[7] 牛利勇. 姜久春. 張維戈. 一種全橋移相式 ZVZCS變換器的優化設計 北京交通大學學報 ,2008,32(2)：39—42。[8] Profumo F, 等 發電用燃料電池特性及其電力電子調節系統的專用解決方案 變流技術及電力牽引，2007，2：5257。[9] ZHANG Shibin. Zhongfan，DU Guiping，et equipment for accumulator basedon bidirectional inverting and muting technology 2008，42（5）：7779。[10] Abraham 著. 王志強等譯. 開關電源設計電子工業出版社 .2005。[11] 嚴仰光. 雙向直流變換器 . 南京: 江蘇科學技術出版社, 2004。[12] Zhe Zhang，Ole C Thomsen，Michael A E，et andDesign of Bidirecrional DC/DC Converter in Extended RunTime DC UPS System Based on Fuel Cell and SupercapacitorTwentyfourth Annual IEEE，APEC[C].2009：714719.[13]Dmitri Vinnikov, Indrek Roasto, Janis Zakis. New BiDirectional DC/DC Converter for Supercapacitor Interfacing in HighPower Applications. 14th International Power Electronics and Motion Control Conference, EPEPEMC 2010, T113943[14] Caricchi, F. et al. Study of bidirectional buckboost converter topologies for application in EV drives. Applied PowerElectronics Conference and Exposition, 1998, 1(1):287293.[15] Zhang huiyan. Research on the Analysis and Control Strategy of Ultracapacitor DC Storage Energy System University of Chinese Academy of Sciences(NSTITUTE OF ELECTRICAL ENGINEERING),2006.40致謝致謝在本論文完成之際，首先，我謹以最誠摯的敬意感謝我的導師***老師在我完成畢業設計過程中給予我的悉心指導和熱情鼓勵。從開題到論文完稿期間趙老師對我的指導和建議，使我在課題研究階段