雙向DC-DC變換器的控制方法研究概述目錄TOC\o"1-3"\h\u32615雙向DC-DC變換器的控制方法研究概述 166581.1雙向全橋DC-DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 1265771.2移相控制策略 3209771.2.1單移相控制策略的工作原理 3213981.2.2單移相控制策略的傳輸功率 478201.2.3單移相控制的軟開關(guān)范圍 7241021.3脈寬調(diào)制策略 9197931.3.1單PWM加移相控制策略 1019431.3.2雙PWM加移相控制策略 111.1雙向全橋DC-DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2.1雙有源橋的變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雙有源橋的變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2.1，圖中、分別為開關(guān)器件到和開關(guān)器件到的輸出電壓，到和到是兩個(gè)逆變電路的諧振電容，高頻變壓器變比為，其兩側(cè)漏電感等效為，忽略線路阻抗，兩側(cè)和電容的作用是穩(wěn)壓與續(xù)流。當(dāng)變換器正常工作時(shí)，每個(gè)逆變電路中有兩個(gè)開關(guān)管工作，電壓大小是輸入電壓的二分之一，所以雙有源橋直流變換器具有耐壓高，電壓應(yīng)力小的優(yōu)勢(shì)。很適合應(yīng)用在大功率場(chǎng)合，被稱為“最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”，得到了專家學(xué)者們的青睞[15]。這種特殊的電路結(jié)構(gòu)再加之恰當(dāng)?shù)目刂品椒ň涂梢缘玫揭粋€(gè)電路實(shí)現(xiàn)兩種工作形態(tài)的作用，既單向Buck型和單向Boost型在同一個(gè)電路中。極大減小了系統(tǒng)的體積與成本。定義輸入電壓與輸出電壓比為，既，當(dāng)時(shí)電路以Boost型工作，反向進(jìn)行功率傳輸，當(dāng)k≤1時(shí)電路以Buck型工作，正向進(jìn)行功率傳輸。將圖2.1的雙有源橋直流變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為圖2.2的電路圖。是變壓器一次側(cè)電壓，變壓器二次側(cè)電壓，為高頻變壓器的變比，是流經(jīng)漏電感的電流。圖2.2雙有源橋直流變換器等效電路圖定義當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)狀態(tài)量為一，關(guān)斷時(shí)狀態(tài)量為零。由于電路高度對(duì)稱，只需研究一個(gè)逆變橋中的一半便可以得到不同的電路工作狀態(tài)。和分別是一個(gè)逆變橋內(nèi)相鄰的開關(guān)器件。開關(guān)器件狀態(tài)的不同，可以使電感電壓值發(fā)生改變。如表2.1所示。表2.1開關(guān)管狀態(tài)S1S3VPV1-V1由表2.1得，在開關(guān)器件的所有開關(guān)狀態(tài)下，輸出電壓共有，和零三種狀態(tài)。這三種電平狀態(tài)使電路的輸出功率發(fā)生改變。由圖2.2的等效電路得，電感電壓等于兩受控壓源的差值，表達(dá)式為 (2.1)根據(jù)開關(guān)管的狀態(tài)和DAB等效電路圖可排列組合出九種雙有源全橋直流變換器的工作狀態(tài)。等效電路的工作狀態(tài)如圖2.3，這九種工作狀態(tài)就是其所有的工作狀態(tài)。圖2.3等效電路的工作狀態(tài)1.2移相控制策略1.2.1單移相控制策略的工作原理單移相控制在兩個(gè)逆變橋之間設(shè)置了一個(gè)橋間移相角，角度變化引起開關(guān)器件通斷時(shí)間變化，電感充放電時(shí)間變化使輸出端電壓變化。這種變換針對(duì)輸出變量的大小值和方向，受控電壓源頻率要與高頻變壓器的頻率保持一致。如圖2.1中所示，在一個(gè)周期內(nèi)一個(gè)單元橋的對(duì)角開關(guān)管相互互補(bǔ)導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)間為的一半，占空比。A、B兩點(diǎn)和C、D兩點(diǎn)之間的電壓是變壓器一二次側(cè)之間的電壓。通過(guò)對(duì)同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)器件的控制信號(hào)管理開關(guān)器件IGBT的開通和關(guān)斷以橋間移相角大小的滯后差一前一后觸發(fā)，對(duì)一二次側(cè)電路的電流能量流動(dòng)進(jìn)行控制。圖2.4移相控制工作波形移相控制工作波形如圖2.4所示，移相控制的波形圖中，為一個(gè)開關(guān)器件的周期，，與分別為和的觸發(fā)信號(hào)。在A、B兩點(diǎn)間獲得一個(gè)AC方波電壓，在C、D兩點(diǎn)間得到一個(gè)交流方波電壓?？梢钥吹诫妷汉屯l率且存在初相角差。有了差值，就可以對(duì)差值大小進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電路不同的工作模態(tài)。1.2.2單移相控制策略的傳輸功率單移相控制的工作特性是開關(guān)器件的狀態(tài)互補(bǔ)，對(duì)應(yīng)著上表2.1中的第一種和第四種情況，由此在九種等效電路圖中有a、c、g、i這四種符合要求，式2.2中分別是圖2.3電路等效圖中對(duì)應(yīng)的a、c、g、i這四種等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電感電壓表達(dá)式。下面分析其具體工作過(guò)程：設(shè)變換器已經(jīng)進(jìn)入正常穩(wěn)態(tài)工作，不計(jì)開關(guān)器件的通斷時(shí)間，列出工作模態(tài)： (2.2)(1)-時(shí)刻，，從流出，同時(shí)二次側(cè)的電源電壓為（C、D之間電壓），。此時(shí)間段中，漏電感先放電，再充電。功率從流向，此時(shí)，電感電壓和電流值為： (2.3)(2)-時(shí)刻,變壓器一次側(cè)等效電壓，二次側(cè)電源電壓為，，此時(shí)，功率從流向。電感電壓和電流值為： (2.4)(3)-時(shí)刻,變壓器一次側(cè)等效電壓，變壓器二次側(cè)電源電壓為，，此時(shí)一次側(cè)電壓源吸收功率，二次側(cè)電壓源輸送功率，功率從流向，功率的方向發(fā)生改變，電感電壓和電感電流大小為： (2.5)(4)-時(shí)刻，變壓器一次側(cè)等效電壓，變壓器二次側(cè)電源電壓為，，此時(shí)一次側(cè)電壓源吸收功率，二次側(cè)電壓源輸送功率，功率從流向，感電壓和電感電流大小為： (2.6)如圖2.4中的波形及對(duì)移相控制的四種等效電路分析可知，電感電流在一個(gè)完整周期內(nèi)對(duì)稱，由此總結(jié)出移相控制下電感電流在內(nèi)的大小為： (2.7)由電感電流的對(duì)稱性可得，由式2.4得為： (2.8)繼而計(jì)算出內(nèi)電感電流的有效值為： (2.9)將式2.9乘以電壓就可得出變換器在移相控制下輸出功率： (2.10)由能量守恒定律可得出輸出功率=輸出功率，即求得二次側(cè)的平均輸出電流為： (2.11)選取基準(zhǔn)值為，定義電壓比，輸出功率的標(biāo)幺值為： (2.12)由式2.12反推可知，橋間移相角的占空比D取決于輸出功率的方向和大小。當(dāng)時(shí)，功率從流向，正向傳輸；當(dāng)時(shí)，功率從流向，反向傳輸。單移相傳輸是通過(guò)改變占空比來(lái)改變功率的正反方向，只用一個(gè)變量來(lái)實(shí)現(xiàn)功率的雙向傳輸，可見單移相控制運(yùn)行靈活，操作簡(jiǎn)便。從上述分析可以得到，功率有一部分會(huì)回到壓源側(cè)，這種功率對(duì)電路是不利的，會(huì)破壞系統(tǒng)平衡，定義這種功率為回流功率[17]?；亓鞴β适菃我葡嗫刂浦泄逃械膯?wèn)題，回流功率不參與電路中能量的雙向傳輸，回流功率越大，電流應(yīng)力越大，導(dǎo)致系統(tǒng)損耗和電流峰值就越大，這就是單移相控制中最主要的缺陷，這種特性會(huì)在電路輕載時(shí)會(huì)愈發(fā)明顯。它的表達(dá)式為： (2.13)由公式可知，回流功率與輸入電壓、輸出電壓和移相比有關(guān)。時(shí)，電流超前電壓，負(fù)載為輕載呈容性；時(shí)，電流滯后電壓，負(fù)載為重載呈感性。當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)的無(wú)功功率為零。由此可得，當(dāng)時(shí)系統(tǒng)傳輸功率最大，無(wú)功損耗為零。除此之外其他情況下系統(tǒng)中均存在一定的無(wú)功功率。所以為了減小回流功率，通常取。1.2.3單移相控制的軟開關(guān)范圍變換器電路中最重要最核心的就是開關(guān)器件，開關(guān)器件的使用壽命直接關(guān)系到了整個(gè)變換器的工作效率。開關(guān)器件在電路中的損耗除了一部分是電感電流帶來(lái)的電流應(yīng)力帶來(lái)的無(wú)功損耗，還有自身在通斷過(guò)程中的損耗，隨著社會(huì)科技的發(fā)展，小型智能化的設(shè)備成了當(dāng)下潮流。小型化讓電感電容尺寸縮小，也就意味著電路只能工作在高頻率下。在如此的迭代更新下，通態(tài)損耗得到了降低，可是開通損耗和關(guān)斷損耗越來(lái)越高，由此學(xué)界提出了軟開關(guān)技術(shù)。圖2.5軟開關(guān)過(guò)程中的電壓和電流波形軟開關(guān)技術(shù)是,通過(guò)諧振電路將開關(guān)器件兩端的電壓或電流提前降到零以后再進(jìn)行通斷，有零電壓和零電流兩種形式。軟開關(guān)技術(shù)可以明顯減少工作在高頻率下的開關(guān)器件的通斷損耗，甚至降為零，也降低了開關(guān)噪聲。極有力的提高了變換器的能量傳輸效率[18]。軟開關(guān)過(guò)程中的電壓和電流波形如圖2.5所示。由圖2.1得到的變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析，每一個(gè)開關(guān)器件都是并聯(lián)反向二極管續(xù)流，并聯(lián)的電容和變壓器的漏電感組成諧振開關(guān)，變壓器變比，電壓比，、分別為高頻變壓器的原副邊電壓。假設(shè)變壓器已經(jīng)穩(wěn)定正常工作狀態(tài)，得到其電感電流波形如圖2.6。圖2.6單移相控制電感電流波形(1)時(shí)刻，電感電流為負(fù)值，電感電壓為。此時(shí)、的觸發(fā)信號(hào)到來(lái)，開關(guān)管承受反向電壓，不能導(dǎo)通，電流流過(guò)二極管、，此時(shí)、電壓為零，在時(shí)刻為零，此時(shí)、兩端電壓為正，實(shí)現(xiàn)零電壓開通。二次側(cè)逆變橋中的、導(dǎo)通，電感電流沿著二極管、續(xù)流，此時(shí)、兩端電壓為零，時(shí)刻、零電壓開通，兩側(cè)電源給漏電感充電至?xí)r刻。(2)時(shí)刻，開始關(guān)斷，并聯(lián)的電容兩端電壓為，變壓器二次側(cè)漏電感與發(fā)生諧振，到兩端電壓為，兩端電壓降到零時(shí)，諧振結(jié)束。諧振時(shí)間很短，前逆變橋還是、導(dǎo)通，諧振結(jié)束后，電流流入續(xù)流，為的零電壓開通做準(zhǔn)備。(3)時(shí)刻，、開始關(guān)斷，變壓器一次側(cè)漏電感與發(fā)生諧振，到兩端電壓為，兩端電壓降到零時(shí)，諧振結(jié)束，副邊的電流依舊流入續(xù)流。時(shí)間內(nèi)，電感電壓大小為為，電感釋放能量，原邊電流流入續(xù)流。直到時(shí)刻為零，開關(guān)管和實(shí)現(xiàn)零電壓開通，同時(shí)為電感反向充電。(4)時(shí)刻，開始關(guān)斷，并聯(lián)的電容兩端電壓為，變壓器二次側(cè)漏電感與發(fā)生諧振，到兩端電壓為，兩端電壓降到零時(shí)，諧振結(jié)束，前逆變橋還是導(dǎo)通，副邊的電流依舊流入續(xù)流，為的零電壓開通做準(zhǔn)備。以上為單移相控制下軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)的工作過(guò)程，諧振現(xiàn)象是在對(duì)角開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)發(fā)生的，目的是讓下一組開關(guān)器件的電容降為零，導(dǎo)通的二極管為零電壓開通做準(zhǔn)備。即，得： (2.14)同理可得，在時(shí)刻，，得： (2.15)由第二章得電壓比，再由上兩式得： (2.16)橋間占空比D的取值為正負(fù)一之間。變換器正向工作時(shí)，當(dāng)電壓比大于或小于1時(shí)，分別對(duì)應(yīng)變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)。時(shí)，一二次側(cè)逆變橋可同時(shí)實(shí)現(xiàn)零電壓開通，電路輕載時(shí)也可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)不等于1時(shí)，電路輕載時(shí)難以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)控制。當(dāng)電壓比固定時(shí)，占空比D=0.5時(shí)傳輸?shù)墓β首畲蟆?.3脈寬調(diào)制策略脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation，PWM）是指1962年，Nicklas等發(fā)現(xiàn)利用噴氣脈沖控制是對(duì)控制航天器的最優(yōu)方案[19]。到了20世紀(jì)80年代，全控型開關(guān)器件被造出，使該技術(shù)在電力電子中的使用價(jià)值越來(lái)越重要。脈沖寬度調(diào)制主要利用微處理器和半導(dǎo)體器件，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行數(shù)字控制，根據(jù)載波比較，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，得出輸入和輸出之間的變化，進(jìn)而調(diào)制全控型開關(guān)器件的通斷，來(lái)實(shí)現(xiàn)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間的改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出端的離散調(diào)節(jié)。1.3.1單PWM加移相控制策略單PWM加移相控制策略比移相控制策略多出一個(gè)橋內(nèi)移相角，這個(gè)移相角在變換器兩邊超前橋或滯后橋的兩個(gè)橋臂之間[20]。其中一個(gè)逆變電路中同橋臂開關(guān)器件繼續(xù)互補(bǔ)導(dǎo)通，不同橋臂之間存在橋內(nèi)移相角大小的延時(shí)，另一個(gè)逆變電路還是以移相控制中的方式一樣，即出現(xiàn)了表2.1中全部的開關(guān)管狀態(tài)。把橋內(nèi)移相角放在超前橋上的稱為外部模式，放在滯后橋上的稱為內(nèi)部模式。如圖2.7是內(nèi)部和外部模式下的工作波形。第一種是的觸發(fā)信號(hào)（電平從零到）超前于的觸發(fā)信號(hào)（電平從零到），為外部模式。第二種是的觸發(fā)信號(hào)滯后于的觸發(fā)信號(hào)且的下降沿信號(hào)超前于的下降沿信號(hào)（電平從到零），為內(nèi)部模式。內(nèi)部模式中的一次側(cè)電壓波形全部都在二次側(cè)電壓波形內(nèi)。單PWM加移相控制的兩個(gè)變量共同調(diào)節(jié)輸出功率的大小和流動(dòng)方向，在這種控制方式下的等效電路對(duì)應(yīng)圖2.5里的六種情況，相比于移相控制，單PWM加移相控制可以應(yīng)對(duì)的情況更多，動(dòng)態(tài)響應(yīng)和調(diào)節(jié)范圍也更大。圖2.7單PWM加移相控制工作波形圖1.3.2雙PWM加移相控制策略雙PWM加移相控制策略比單PWM加移相控制策略又多出一個(gè)橋內(nèi)移相角，這個(gè)移相角也在變換器兩邊超前橋或滯后橋的兩個(gè)橋臂之間。其中一個(gè)逆變電路中同橋臂開