數字控制雙向全橋dc-dc變換器的研究碩士學位論文-資料下載頁

　　

【正文】 fi?67Lfi Cc6Q是硬關斷，此時鉗位二極管 導通，電流 一路進入鉗位電容 ，鉗位電容電7QCDf壓 不斷增加，另一路進入變壓器原邊線圈，原邊電流 從零逐漸增加，增長率與CcV 39。pi鉗位電容電壓 成正比，和變壓器漏電感 成反比。由于鉗位二極管 導通，故Cc 2r CD在 時刻使鉗位開關管 導通， 為 ZVS 開通。1tQC24(a)(b)Q7， 6Q5， 8Qc39。piLfiCci0000000tttttttTT26t5t42t1 3tQ58DcOnQ58cOnQ58OnQ567Q8OnDc78t9t10t1t2D5 T 1:nLf Lr2C5 CfD7C7D6C6 D8C8D1D3D2D4N1N2Q5Q6Q7Q8 V1+Cb2DcCcQcV2 1R25(c)圖 雙向全橋 DC/DC 變換器放電模式等效電路模態 2 ： 時， 導通（MOSFET 開關管反向導通） ， 關斷。 時，??1t:1t?CQCD2t?變壓器漏感電流 ，鉗位電容 充電電流 ， 充電到最大值。 、39。pLfi Cc0i?cV6Q上并聯電容 、 電壓也增大到最大值。7Q6C7模態 3 ： 時，電流 在變換器輸出電壓 折射到原邊電壓 作用??2t:2t?Lfi 22/Vn下逐漸下降，不足以提供負載電流，鉗位電容 開始供電， ， 正向導通。CCc0iC7Q7C6+ Q6CcDc C7Q7C6+ Q6CcC7Q7C6+ Q6CcQ7+ Q6CcC7Q7C6+ Q6CcLf LfLfLfLfQ7+ Q6CcLfQcQ5 Q8 QcQ5 Q8QcQ5 Q8QcQ5 Q8Q5Qc Q8 QcQ5 Q8模 態 1[t0~] 模 態 2[t1~]模 態 3[t2~] 模 態 4[t3~]模 態 5[t4~] 模 態 6[t5~]2V 2V2V2V2V2V2bC 2bC2bC 2bC2bC 2bCDc Dc+++ + ++++++ ++++ 2 上并聯電容 、 電壓也逐漸下降。 時，鉗位電容 放電電流 。6Q76C7 3t?CCc0i?模態 4 ：這期間鉗位電容 不供電，電池和儲能電感 一起向負載提供??3t:CfL能量，并因儲能電感 能量逐漸較少和變換器輸出電壓的作用，電流 、 逐漸減fL fi39。p小。 時， 在下降到最小， 、 再次導通。由于開通時開關管上有電壓，所4t?fi6Q7以 、 是硬開通。 時，鉗位開關管 在零電流下關斷，實現 ZCS 關斷。6Q74t?C模態 5 ： 時， 同時導通，電池電壓 加于儲能電感 上，電??4t:58:2VfL流 又開始增長。此時， 在電壓 和變換器輸出電壓折射到原邊的電壓 的Lfi 39。pi2CbV2/Vn作用下逐漸較少，于 時， 。5t?39。0模態 6 ：這期間， 同時導通， 還是不斷增長，直到 時， ??5t:8Q:Lfi 6t?5Q、 關斷為止， 再次增長到最大值。8QLfi， 、 硬關斷，結束了 半個周期 6 個開關模態。 為后半個6t?5806t 612t:周期， 為一個完整周期。 均是硬開關， 是 ZVS 開通和 ZCS 關斷。012:58:CQ在放電模式時， 向 傳輸的功率隨著對管（ 和 、或 和 ）同時導通2V1 5867時間的增加而減少，隨四個開關管同時導通時間的增加而增加。 開關管電壓尖峰問題本文所研究的電壓電流型雙向全橋直流變換器實際上就是一個雙向 BuckBoost變換器，根據功率流動方向，分別命名為 Buck/充電方向和 Boost/放電方向。為突出電流型拓撲的電壓尖峰問題，使分析具有普遍性，這里忽略變壓器的勵磁電流，并把漏感折算到同一側，得到圖 (a)所示的簡化電路。功率傳輸方向不同時，開關管上產生電壓尖峰的機理不同 [6][39]。充電方向時，如圖 (b)， 關斷后， 和 的結電容振蕩產生電壓尖峰，當結電容BuckQrLBuckQ的電壓等于電源電壓 時，振蕩結束。這個振蕩為無源阻尼振蕩，振蕩能量是BuckC1V有限的，產生的電壓尖峰易于吸收。因此充電方向上的電壓尖峰問題不是主要問題，下面主要分析放電模式時開關管的電壓尖峰產生機理和解決方案。27 放電模式時電壓尖鋒產生機理放電方向時，如圖 (c)， 關斷后，由于 中的電流不能突變，在 中BostQrLrL的電流達到 之前，電流 給 的結電容 充電，形成巨大的電壓尖LfILfDuckI?stBostC峰。由于輸入電感 足夠大，輸入電流在一個周期內基本不變，由此可見，放電方fL向的電壓尖峰是基于恒流源 對電容 充電產生的，其能量是巨大的，有源的。LfIBostC因此這個電壓尖峰難以抑制，必須設法解決。圖 電流電壓型雙向直流變換器開關管電壓尖峰產生機理 電壓尖鋒抑制方案為了提高開關管的可靠性，必須要解決開關管電壓尖峰較大的問題， 一、RCD 無源有損鉗位電路 [10][39]放電模式 RDC 鉗位電路拓撲結構如圖 所示，圖中二極管 、電容 、電阻CDCfbostQbostDbuckDbuckQBuckBostfCbostDbuckQBuck buckCrLbostQ buckDBost bostCLfi??bBuck充 電 /方 向??c/Bost放 電 方 向??a雙 向 變 換 器 簡 化 電 路fCfCrLrLLfi28組成了耗能型無源鉗位電路，以下對其原理進行分析。設鉗位電容 足夠大可以CR C保證在一個周期內的電壓值基本不變，其穩態值記為 。CcV、 關斷時，電流( )給 、 的結電容充電，形成很大的電壓尖峰6Q7 2LfrIi?6Q7。當 時，鉗位二極管 導通，將 的值鉗位在 上。 、 導通peakVpeakCcV?CDpeakCc6Q7時， 承受反壓截止，鉗位電容 通過電阻 緩慢放電， 因此下降。CDCR上述 RCD 鉗位電路的優點是電路結構簡單，成本低廉，而其缺點是部分能量消耗在鉗位電路中，對整機效率有所影響。圖 放電模式 RDC 鉗位電路二、有源無損鉗位電路 [2][10][14][39]與 RCD 有損無源鉗位電路相比，有源鉗位電路可以實現無損鉗位，但需要增加一個輔助的鉗位開關管和鉗位電容，并且需要對鉗位開關管進行合理的控制。圖(a)中已經加了有源無損鉗位電路（ 、 、 ）的，從圖 (b)的工作波形CQDC和電路的工作原理可知，該方案可以很好的抑制電壓尖峰，并且可以實現開關管的ZVS 關斷。本文研究對象采用有源無損鉗位電路。 雙向全橋 DC/DC 變換器的啟動控制 充電模式啟動方式現有的 Buck 型變換器的 PWM 控制芯片，都有軟啟動引腳，在輸出端沒有電壓/電流時，軟啟動電路使開關管的占空比從零逐漸增加到要求的值，這樣，既限制了啟動電流，也防止了輸出電壓的超調（輸出電壓超過額定值） [2]。這種軟啟動方法在RcD5 T 1:nLf Lr2C5 CfD7C7D6C6D8C8D1D3D2D4N1N2 R1Q5Q6 Q7Q8+CbDcCc ABDV2 V129雙向全橋變換器工作在 Buck/充電模式時，也是必須的。當能量從高壓側向低壓側傳遞時，移相控制電路的初始移相角 為 180o，然后逐漸減少，直到輸出電流達到額?定值。 放電模式啟動方式雙向全橋變換器工作在放電模式時，能量從低壓側向高壓側傳遞，實現升壓功能。開始工作時， 上的電壓為零，在 電壓達到與低壓側匹配的電壓之前，電fCfC感 不能實現磁復位，其電流 不斷增大，因此放電模式下其啟動電流是很大的。fLLfi為減小啟動電流，也必須采用軟啟動方式 [2]。從表面上看起來，似乎只要使四個開關管同時導通時間從零逐漸增大就能使高壓側 上的電壓 逐漸升58Q: fC1V高到，但實際上這是有問題的。因為在 上沒有電壓或則電壓小于 時，高f 2/N壓側的電壓 折算到低壓 側的電壓就很低，不能使電感 電流 減少。于是，在1V2 fLLfi電壓從零升高到 的時間內， 不斷增長，也就是說通過 的電流也11/NLfi 58Q:不斷增長，其最大值將遠大于額定工作時的電流，從而對開關管的要求提高，需要選用大定額電流的開關管和大啟動電流時不會飽和的電感 ，這樣既不合理，成本f也顯著增加。為此必須選用合理的啟動電路和啟動方式。Boost 模式中，文獻[2][11][29~30][39]中提出了以下解決方案：帶反激變壓器、斜坡輸入電壓、輸入端串電阻等啟動方式。一、帶反激變壓器的啟動方式帶反激變壓器軟啟動方式的主電路如圖 (a)所示，與圖 (a)的不同之處是在電感 的鐵心上加繞了線圈 ，加了二極管 ，由此構成一個反激變壓器，它fLsWfD僅在啟動時工作。圖 (b)是啟動工作時開關管的導通規律。在 期間0ont:同時導通， 期間 都關斷， 導通，中間有死區時間。啟動時，58Q:/2ontT:58Q:c是逐漸增加的。圖 (d)是啟動工作時的等效電路， 導通，電壓 直接加ont 58Q2V在電感 上， 的非同名端為正，二極管 反偏截止，電流 線性增長， 時fLf fDLfiont?達到最大值。 期間 關斷， 流向鉗位電容 ，給 充電，同時fi /2ont:58:LficCc導通，一部分電感儲能經 傳到 ，使電壓 增加。由此可見，軟啟動過程中DffC1V電容 電壓 和 均是增加的， 從 開始增加， 從零開始增加，由于鉗位電cCcV1cV230路的存在，限制了電感電流 的不斷增長。設半個周期 內， 導通占空比Lfi /2T58Q:為 ，則：aD (213)21aCcDV?? (214)121pasWV?式中， 、 為反激變壓器原邊、副邊線圈的匝數。pWs32圖 帶反激變壓器啟動電路的充電模式主電路LfWsp LfWspV2 V2CcDfCfV1D5 T 1:nLf Lr2C CfD7CD6CD8CD1D3D2D4N1N2 RLQ5Q6 Q7Q8 V1+CbDcCcQc ABV2Wsp Df58Q:58Q 67 cQc??a變 換 器 充 電 工 作 主 電 路??b啟 動 工 作 時 開 關 管 驅 動 信 號??cBost/放 電 工 作 時 開 關 管 驅 動 信 號??d啟 動 工 作 時 等 效 電 路??on0t: ??ontT/2:ont /2T/2T33反激啟動電路僅在啟動時工作，啟動結束后僅 Boost 全橋變換器工作在放電模式。則啟動結束后，輸出電壓 和輸入電池電壓 間的關系(推導過程見第三章)為：1V2V12nD?式中， 為變壓器高壓側和低壓側匝比， 。 為半個周期內對管導通的占n 1:N空比，參考圖 (b)和(c)， 與 之間有以下關系： 。則：a 1aD?? (215a)12minaV??顯然，當 同時導通時間為零，即 ，全橋輸出電壓最低，即58Q:0aD (215b)12inN所以，啟動電路應當在輸出電壓 達到 時停止工作，進入 Boost 全橋變換器放1Vmi電模式。假設: (216)12SPWN?比較式(214)和(215b)，得 。因此，反激變壓器在啟動工作時，器占空比從 0 增加到 ， 從 0 電壓達到 ，此時，變換器進入 Boost 全橋變換1V1minV器放電模式，不會導致電感電流 過大，且轉換過程中， 不會突變。Lfi 1帶反激變壓器的雙向全橋直流變換器，在啟動時利用反激變壓器將電池的一部分能量傳遞到高壓負載側，逐漸建立起負載電壓，實現雙向全橋直流變換器放電模式的軟啟動方式，可以很好的解決該變換器啟動過程中出現的問題。二、斜坡輸入電壓的啟動方式利用 BUCK 變換器工作原理，在變換器電池側輸入端增加一級 BUCK 電路，如圖(a)所示，通過改變輸入級 BUCK 電路中開關管 的占空比 從 0 逐漸增大到sQD1，BUCK 電路的輸出端電容 上的電壓將按線性方式逐漸由 0 增加到電池電壓 ，sC 2V由此可以實現后一級 Boost 電路得到斜坡輸入電壓，進而實現變換器放電模式時軟啟動。若新增 BUCK 電路中的儲能電感 用 代替，穩壓電容 可以用輸出端的穩壓sLf sC34電容 代替，則可以得到圖 (b)所示的改進型斜坡輸入軟啟動電路。fC與圖 (a)所示雙向全橋變換器放電模式主電路相比，圖 (b)所示的改進型斜坡輸入軟啟動電路僅增加了一個有源開關管和一個二極管，就可實現平滑、無損耗的軟啟動過程，因此軟啟動方式具有很好的可行性。圖 斜坡輸入軟啟動電路三、加限流電阻的啟動方式加限流啟動電阻的雙向全橋變換器放電模式拓撲電路如圖 所示。在電池和儲能電感之間串接一個小阻值大功率的電阻，并在電阻上并聯開關，此開關可以是手動開關，繼電器，也可以是 SCR 電子開關。在輸出電壓上升到額定值后啟動完成，開關閉合將電阻短路，從而降低正常工作時的功耗。此方案的優點是結構簡單，成本低，適用于功率較少的情況下。缺點是此方式屬于能耗型啟動方式，當功率較大時，需多個功率電阻并聯，體積較大。為研究方D5 T 1:nLf C CfD7CD6CD8CD1D3D2D4N1N2 R1Q5Q6 Q7Q8 +CbDsCs ABCDV2LsQsD5 T 1:nLf Lr2C CfD7CD6CD8CD1D3D2