雙有源全橋DC-DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其移相控制方式分析目錄TOC\o"1-3"\h\u31747雙有源全橋DC-DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其移相控制方式分析 1299631.1雙有源全橋變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 1269511.2基于雙有源全橋變換器的移相控制方式 2179971.3單移相控制方式 3151021.3.1單移相控制工作模態(tài) 3201761.3.2單移相控制功率特性 6158981.4小結(jié) 81.1雙有源全橋變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雙有源全橋DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-1所示。該拓?fù)鋬啥司鶠橹绷鞫丝?，具有?duì)稱性，其中所有的功率開關(guān)器件都是全控型器件，可實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)。圖2-1雙有源全橋變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雙有源全橋變換器電路結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，其由兩個(gè)對(duì)稱的H橋、一個(gè)高頻隔離變壓器、等效漏感以及輸入、輸出側(cè)兩個(gè)直流電容組成。如圖所示，設(shè)從左到右電流方向?yàn)檎?，則U1為輸入側(cè)電壓，C1為輸入電容，U2為輸出側(cè)電壓，C2為輸出電容，L為等效漏感，iL為流過漏感的電流，UL為漏感L兩端的電壓，UP為變壓器的原邊電壓，US為副邊電壓，其變比為n：1。在分析雙有源全橋變換器的運(yùn)行原理和工作特性之前，首先對(duì)變換器做出如下假設(shè)[22]：（1）假設(shè)變換器工作在穩(wěn)定狀態(tài)；（2）假設(shè)所有開關(guān)管均為理想開關(guān)管并反并聯(lián)一個(gè)二極管；（3）假設(shè)變壓器為理想變壓器，忽略勵(lì)磁電流、渦流損耗等因素對(duì)本研究的影響。綜上所述，雙有源全橋變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)單等效為圖2-2所示[20]。圖2-2雙有源全橋變換器的等效電路1.2基于雙有源全橋變換器的移相控制方式對(duì)于雙有源全橋變換器的控制，移相控制方式最為普遍。移相控制策略的基本原理為：給變壓器原邊和副邊兩側(cè)施加全橋驅(qū)動(dòng)脈沖，通過調(diào)節(jié)兩側(cè)脈沖的相位差，使得電感L的電壓和功率發(fā)生變化，進(jìn)而控制了變換器的傳輸功率。功率由相位超前一側(cè)向滯后一側(cè)傳輸，傳輸?shù)拇笮∮勺儞Q器原邊和副邊全橋中電壓的幅值和相位差決定[21]。當(dāng)UP的相位超前于US時(shí)，變換器正向傳輸，反之。移相控制的調(diào)制方式通常分為以下幾種：（1）單移相控制（SPS）是最簡(jiǎn)單、最可靠并且應(yīng)用最廣泛的一種方式。SPS控制方式只有一個(gè)控制變量為UP和US的移相比D，其控制了功率的流動(dòng)方向和大小。在此方式下，變壓器兩側(cè)為占空比50%的互補(bǔ)方波，對(duì)角上的開關(guān)管動(dòng)作相同，非對(duì)角動(dòng)作相反。但是，此控制方式會(huì)存在部分功率回流，傳輸效率較低[22]-[23]。（2）擴(kuò)展移相控制（EPS）是在SPS的基礎(chǔ)上改進(jìn)，增加了橋內(nèi)移向角，其為對(duì)全橋一側(cè)斜對(duì)角兩只開關(guān)管的控制。因此控制變量為兩個(gè)，分為外移相占空比D1和內(nèi)移相占空比D2。D1控制了功率的流向和大小，D2減小了功率回流，減小損耗。但由于兩側(cè)全橋波形不同，控制方式不同，不同模式下需采用不同的調(diào)制波形，控制難度增大[25]-[27]。（3）雙重移相控制（DPS）與EPS相似，增加了橋內(nèi)移相比，同樣通過控制D1、D2傳輸功率。且兩側(cè)的橋內(nèi)移相比相同，結(jié)構(gòu)上和控制上仍保持對(duì)稱性，控制難度相對(duì)較小，傳輸效率較高，性能較好[28]-[32]。（4）三重移相控制（TPS）控制變量增加為3個(gè)，其在變壓器兩側(cè)的全橋內(nèi)增加的移相占空比變量分別為D2和D3，其有效減小了功率回流，功率傳輸效率得到了較大提高。但其方式與SPS、EPS和DPS控制方式相比十分復(fù)雜，控制變量之間關(guān)系復(fù)雜，使得控制系統(tǒng)的計(jì)算量很大。王珺教授對(duì)三移相調(diào)制策略也進(jìn)行了優(yōu)化，但是該方法僅適用于輕載條件，無法在重載條件下發(fā)揮作用[33]-[34]。（5）PPS控制方式在移相控制的基礎(chǔ)上，在變壓器上引入PWM控制，控制變量為2種或3種，分為單PWM加移相控制和雙PWM加移相控制兩種方式。雖然此方式增大了軟開關(guān)范圍，減小了電感電流，損耗大大減小，但其控制方式復(fù)雜程度也大大增加，實(shí)用性較低[35]-[36]。根據(jù)上述基于雙有源全橋變化器的移相控制方式的分析，單移相控制是最簡(jiǎn)單最通用的一種方式，故本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用單移相控制方式。1.3單移相控制方式1.3.1單移相控制工作模態(tài)本文對(duì)雙有源全橋變換器的功率的雙向傳輸進(jìn)行研究，其需在正反向工作模式間平滑切換。如圖2-3所示，為單移相控制方式的波形圖。圖2-3單移相控制波形如圖2-3中，Th表示半開關(guān)周期，表示變壓器兩側(cè)方波相差的移相角，移相占空比為D（2-1）所有開關(guān)管上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)均為占空比50%的方波，其中初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)都為對(duì)角開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，非對(duì)角開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)的控制規(guī)律，即S1和S4，S2和S3，S5和S8，S6和S7驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別相同，而S1，4和S2，3，S5，8和S6，7驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別相反，且初級(jí)側(cè)S1，4和次級(jí)側(cè)S5，8的驅(qū)動(dòng)脈沖之間存在一定的相位差，使得電感L的電壓不同，從而控制功率傳輸?shù)拇笮『头较颍海?）當(dāng)D>0時(shí)，即開關(guān)管S1，4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)超前S5，8，功率從初級(jí)側(cè)傳向次級(jí)側(cè)，代表功率正向傳輸；（2）當(dāng)D<0時(shí)，即開關(guān)管S1，4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)滯后S5，8，功率從次級(jí)側(cè)傳向初級(jí)側(cè)，代表功率反向傳輸[37]。功率傳輸?shù)拇笮∮傻拇笮∷鶝Q定。在SPS控制方式下，雙有源全橋DC/DC變換器正向和反向工作規(guī)律相似，本文均以正向工作模式為例來進(jìn)行分析。根據(jù)上述分析和圖2-3的控制波形，將其劃分為6個(gè)區(qū)間來進(jìn)行分析，如圖2-4所示。（a）t0-t1時(shí)間段（b）t1-t2時(shí)間段（c）t2-t3時(shí)間段（d）t3-t4時(shí)間段（e）t4-t5時(shí)間段（f）t5-t6時(shí)間段圖2-4SPS控制下雙有源全橋變換器的6個(gè)工作模態(tài)（1）工作模態(tài)1：t0-t1時(shí)間段，對(duì)應(yīng)圖2-4（a）。在t0時(shí)刻，iL達(dá)到負(fù)向最大值，開關(guān)管S1，4從關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，S2，3從導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)，S6，7仍為導(dǎo)通狀態(tài)，S5，8仍為關(guān)斷狀態(tài)，電流通路為初級(jí)側(cè)D1，4和次級(jí)側(cè)D6，7，電感L給U1、U2側(cè)同時(shí)放電，iL為負(fù)值，并且快速增大。此模態(tài)下iL可表示為：（2-2）（2）工作模態(tài)2：t1-t2時(shí)間段，對(duì)應(yīng)圖2-4（b）。在t1時(shí)刻，iL減小到零，開關(guān)管S1，4和S6，7仍為導(dǎo)通狀態(tài)，S2，3和S5，8仍為關(guān)斷狀態(tài)，電流通路為S1，4和S6，7，U1、U2側(cè)同時(shí)給電感L充電，iL為正向并且不斷快速增大。此模態(tài)下iL可表示為：（2-3）（3）工作模態(tài)3：t2-t3時(shí)間段，對(duì)應(yīng)圖2-4（c）。在t2時(shí)刻，iL為正值，開關(guān)管S5，8從關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，S6，7從導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)，S1，4仍為導(dǎo)通狀態(tài)，S2，3仍為關(guān)斷狀態(tài)，電流通路為初級(jí)側(cè)S1，4和次級(jí)側(cè)D5，8，U1側(cè)給電感L充電同時(shí)給U2側(cè)放電，設(shè)U1＞nU2，iL為正向電流且緩慢增大。此模態(tài)下iL可表示為：（2-4）（4）工作模態(tài)4：t3-t4時(shí)間段，對(duì)應(yīng)圖2-4（d）。在t3時(shí)刻，iL為正向最大值，開關(guān)管S1，4從導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)，S2，3從關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，S6，7仍為關(guān)斷狀態(tài)，S5，8仍為導(dǎo)通狀態(tài)，電流通路為初級(jí)側(cè)D2，3和次級(jí)側(cè)D5，8，電感L給U1、U2側(cè)同時(shí)放電，iL為正向電流且快速減小。此模態(tài)下iL可表示為：（2-5）（5）工作模態(tài)5：t4-t5時(shí)間段，對(duì)應(yīng)圖2-4（e）。在t4時(shí)刻，iL從正向值減小到零，開關(guān)管S1，4和S6，7仍為關(guān)斷狀態(tài)，S2，3和S5，8仍為導(dǎo)通狀態(tài)，電流通路為S2，3和S5，8，U1、U2側(cè)同時(shí)給電感L充電，iL變?yōu)樨?fù)向電流且快速減小。此模態(tài)下iL可表示為：（2-6）（6）工作模態(tài)6：t5-t6時(shí)間段，對(duì)應(yīng)圖2-4（f）。在t5時(shí)刻，iL為負(fù)向電流，開關(guān)管S5，8從導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)，S6，7從關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，S1，4仍為關(guān)斷狀態(tài)，S2，3仍為導(dǎo)通狀態(tài)，電流通路為S2，3和D6，7，U1側(cè)給電感L充電同時(shí)給U2側(cè)放電，設(shè)U1＞nU2，iL仍為負(fù)向電流且緩慢減小。此模態(tài)下iL可表示為：（2-7）綜上分析，在t6時(shí)刻，iL為負(fù)向電流最大值，此時(shí)刻與t0相同，又開始下一開關(guān)周期的重復(fù)動(dòng)作。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，iL的變化可分為四個(gè)階段：（1）t0-t2階段：iL從負(fù)向電流迅速增大為正向；（2）t2-t3階段：iL仍為正向電流且緩慢增大，且在t3時(shí)刻達(dá)到正向最大值；（3）t3-t5階段：iL從正向電流迅速減小為負(fù)向；（4）t5-t6階段：iL仍為負(fù)向電流且緩慢減小，且在t6時(shí)刻達(dá)到負(fù)向最大值；由此可得，此四個(gè)階段是以t3時(shí)刻為分界點(diǎn)，t0-t3階段和t3-t6階段為兩個(gè)相似的半周期，前者為負(fù)向電流，后者為正向電流。1.3.2單移相控制功率特性根據(jù)上述分析，如圖2-2所示，設(shè)Th為半開關(guān)周期，可得：（2-8）又因?yàn)槊總€(gè)開關(guān)周期內(nèi)iL具有對(duì)稱性：（2-9）進(jìn)一步化簡(jiǎn)式（2-9），可得：（2-10）定義電壓傳輸比k為：（2-11）由此可得，式（2-10）可化簡(jiǎn)為：（2-12）忽略變換器損耗，雙有源全橋變換器傳輸功率P與移相角D之間的關(guān)系表達(dá)式為：（2-13）輸入電流I1可表示為：（2-14）輸出電流I2可表示為：（2-15）一個(gè)周期內(nèi)電感L的電流峰值可表示為：（2-16）根據(jù)式（2-13）可得雙有源全橋變換器的傳輸功率P與移相角D之間的關(guān)系曲線，如圖2-5所示。圖2-5雙有源全橋變換器的P-D曲線由圖2-5可得：（1）P-D曲線關(guān)于（0,0）呈中心對(duì)稱，基本呈現(xiàn)正弦形狀，故正向和反向功率傳輸特性相似；（2）當(dāng)0<D<1時(shí)，功率正向