雙向DC—DC變換器及其控制方法研究

摘 要：為提高分布式電源的穩(wěn)定性和效率，本文主要研究了雙向DC-DC變換器的結(jié)構(gòu)和控制算法，更具功率的大小，確定本文的主電路。根據(jù)傳統(tǒng)的相移控制方式，提出雙重相移控制方式。在PSCAD仿真軟件中搭建仿真模型，用仿真結(jié)果驗(yàn)證理論的正確性。最后給出相應(yīng)的結(jié)論：基于全橋的雙向DC-DC變換器具有一定的可行性，對(duì)今后DC-DC研究領(lǐng)域奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：雙向DC-DC變換；建模；仿真

1 概述

直流變換器是開關(guān)電源的重要主成部分，隨著科技的發(fā)展，人們的開關(guān)電源的要求越來越高，尤其是它的體積，重量等。本論文主要是研制80V到600V的輸入輸出移相全橋DC-DC變換器。電路拓?fù)溥x擇和控制方案確定等方面入手，著重分析了雙重移相全橋技術(shù)，在此基礎(chǔ)上給出了相應(yīng)的仿真電路和數(shù)學(xué)建模。

2 變換器拓?fù)渲麟娐芳翱刂品桨高x擇

本論文主要研究80V到600V的雙向DC-DC大功率傳輸，因此鑒于雙向橋式DC-DC變換器反應(yīng)快，傳出功率范圍大等優(yōu)點(diǎn)。本變換器的主功率電路采用的是帶隔離變壓器的雙向全橋DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

為了減小雙向全橋DC-DC變換器的功率環(huán)流和電流應(yīng)力，本文在傳統(tǒng)移相控制方法的基礎(chǔ)上提出一種雙重移相控制方法，與傳統(tǒng)的控制方法相比，具有更小的功率環(huán)流以及電流應(yīng)力，同時(shí)使得傳輸功率的調(diào)節(jié)范圍擴(kuò)大，靈活性增強(qiáng)。

3 橋式變換器工作原理及建模分析

雙向橋式直流變換器的工作過程，通過控制前后橋的方波的相角，實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)電感兩端電壓的大小的控制，實(shí)現(xiàn)能量的雙向移動(dòng)。本文提出的雙重移相原理如圖1，通過在U1側(cè)全橋中引入移相控制，在t0─t1及t3─t4時(shí)間段內(nèi)，變壓器原邊側(cè)電壓為0，即回流功率為0。進(jìn)而減小了回流功率，在傳輸功率一定時(shí)，具有更小的電流應(yīng)力以及通態(tài)損耗，提高了傳輸效率。

4 基于PSCAD的雙向橋式DC-DC變換器仿真

在仿真過程中，由于對(duì)電路的工作原理以及仿真軟件的應(yīng)用還不是很清晰，所以采取的逐步仿真的方式，即將電路拆解，分塊仿真，驗(yàn)證各個(gè)模塊的工作原理。最后將電路組合，進(jìn)行整體仿真，驗(yàn)證仿真結(jié)果的正誤。

首先是探究怎樣給出可控的開關(guān)管觸發(fā)信號(hào)。在PSCAD軟件中沒有本課題探究的控制信號(hào)，所以只能根據(jù)軟件中給的自定義模塊編寫程序，建立相應(yīng)的模塊如圖2所示：

其中左邊是產(chǎn)生控制信號(hào)的，右邊是控制產(chǎn)生信號(hào)外相移和內(nèi)相移的，即Td為控制外相移，Ta為控制內(nèi)相移。建立內(nèi)外相移的目的是：在仿真過程中可以在線調(diào)節(jié)參數(shù)，控制內(nèi)外相移，從而達(dá)到調(diào)節(jié)輸出量目的。

仿真雙向橋式結(jié)構(gòu)電路。根據(jù)第四章的控制原理建立仿真模型。相關(guān)參數(shù)有：串聯(lián)電感L=5uH，直流電容為C1 = C2 = 3300uF，變壓器變比為n1：n2=2：1，開關(guān)頻率為fs = 10kHz，則一個(gè)周期的長(zhǎng)度為100us。當(dāng)前橋外相移為0，內(nèi)相移為22us；后橋外相移為9us，內(nèi)相移為5.5us時(shí)，輸入電壓為600V，輸出電壓為80V。如圖3所示。

當(dāng)前橋外相移為0，內(nèi)相移為10us；后橋外相移為9us，內(nèi)相移為1.5us時(shí)，輸入電壓為80V，輸出電壓為600V。如圖4所示。

5 結(jié)論

本文主要對(duì)雙向DC-DC變換器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究，并根據(jù)高低壓和傳輸功率的大小對(duì)相關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，最后得出本文合適的雙向橋式DC-DC變換器結(jié)構(gòu)。確定硬件電路和控制方案后，根據(jù)其工作原理進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，計(jì)算并分析結(jié)果。之后用PSCAD電力電子仿真軟件搭建電路模型，進(jìn)行仿真，用仿真驗(yàn)證了理論的正確性。最后得出相關(guān)的結(jié)論。

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作者簡(jiǎn)介：

段雙明，1984年10月，男，吉林長(zhǎng)春人，漢族，研究生學(xué)歷，東北電力大學(xué)助理實(shí)驗(yàn)師，工作及研究方向：電力電子技術(shù)。