一種Boost型雙輸入推挽全橋雙向DC/DC變換器

顧維忠，宋佩云，王勤，肖嵐

(南京航空航天大學(xué) 江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著科技和社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)雙向直流變換器的需求逐漸增多，主要包括電池的充放電、電動(dòng)汽車、不間斷電源系統(tǒng)，太陽能發(fā)電系統(tǒng)、航空電源系統(tǒng)等應(yīng)用場(chǎng)合。隨著應(yīng)用場(chǎng)合的逐漸增多，雙向直流變換器研究的重要性日益突出。

另一方面，新能源的發(fā)展解決了能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題，新能源聯(lián)合供電也變得日益廣泛，這就要求變換器也要滿足多種能源聯(lián)合供電［1］的要求。如圖 1所示為基于多輸入直流變換 器［2-5］(Multile-Input DC-DC Converter，MIC)的新能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。其中燃料電池和超級(jí)電容可以雙向供電。

文獻(xiàn)［6］提出了一種基于推挽電路的雙向直流變換器，如圖2所示，該變換器原邊采用推挽電路，副邊采用全橋電路，可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流通。

圖1 基于多輸入直流變換器的新能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)

本文在此基礎(chǔ)上介紹了一種推挽Boost型雙輸入推挽全橋雙向DC/DC 變 換 器［6-7］的工作原理，推導(dǎo)了該拓?fù)涞妮斎胼敵鲫P(guān)系，最后制作了一臺(tái)原理樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證理論分析的正確性。

圖2 推挽全橋雙向DC/DC變換器

1 Boost型雙輸入推挽全橋雙向DC/DC變換器工作原理

圖3為Boost型雙輸入雙向DC/DC變換器原理圖，變換器前級(jí)采用雙向脈沖電流源單元(Bidirectional Pulsating Current Source Cell，簡(jiǎn)稱BPCSC)［8］，原副邊的電氣隔離是通過變換器來實(shí)現(xiàn)的，原邊為推挽型電路，副邊為全橋電路，該變換器有五種工作模式:

圖3 Boost型雙輸入推挽全橋DC/DC變換器

工作模態(tài)Ⅰ:如圖4(a)所示，1#源單獨(dú)供電，開關(guān)管Q2、Q3關(guān)斷，1#源經(jīng)過Boost電路升壓后經(jīng)過變壓器給負(fù)載供電，變壓器原邊開關(guān)管推挽工作狀態(tài)，副邊二極管全橋整流。

工作模態(tài)Ⅱ:如圖4(b)所示，2#源單獨(dú)供電，只需給開關(guān)管Q2提供 Boost閉環(huán)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，Q3不需要工作，變壓器原邊開關(guān)管推挽工作狀態(tài)，副邊二極管全橋整流。

工作模態(tài)Ⅲ:如圖4(c)所示，1#源和2#源聯(lián)合供電，Q1Q2工作在Boost閉環(huán)狀態(tài)，Q3不工作，變壓器原邊開關(guān)管推挽工作狀態(tài)，副邊二極管全橋整流。

工作模態(tài)Ⅳ:如圖4(d)所示，負(fù)載給2#源反饋電能，此時(shí)Q3工作在Buck閉環(huán)狀態(tài)，Q2不工作，變壓器原邊Dm1、Dm2工作在全波整流狀態(tài)，副邊 Qm3、Qm4、Qm5、Qm6工作在全橋雙極性控制狀態(tài)。

工作模態(tài)Ⅴ:如圖4(e)所示，1#源直接給2#源充電，此時(shí)只有 Q3工作在 Buck 閉環(huán)狀態(tài)，Q1、Q2、Qm1、Qm2都不工作。

圖4 主要工作模態(tài)

2 輸入輸出關(guān)系

為了保證推挽正常工作，必須協(xié)調(diào)BPCSC和母變換器單元開關(guān)管的工作。其控制原則為:調(diào)節(jié)BPCSC單元開關(guān)管實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定和能量分配;調(diào)節(jié)母變換器單元開關(guān)管實(shí)現(xiàn)能量傳遞，并保證變壓器不至飽和［9］。

現(xiàn)假設(shè)開關(guān)管占空比分別對(duì)應(yīng)為 DQ1、DQ2、DQ3、DQm1、DQm2、DQm3、DQm4、DQm5、DQm6，其中正向時(shí)推挽開關(guān)管在防直通前提下接近50%占空比工作，反向時(shí)全橋?qū)芤苍诜乐蓖ㄇ疤嵯乱越咏?0%占空比工作;而Boost前級(jí)工作在電感電流連續(xù)方式下，變壓器匝比為n，推導(dǎo)出輸入輸出關(guān)系為:

正向:

當(dāng)1#源單獨(dú)供電時(shí)，輸出電壓為公式(1)中Vo輸出電流為公式(3)中的I0;當(dāng)2#源單獨(dú)供電時(shí)，輸出電壓為公式(2)中的Vo，輸出電流為公式(4)中的Io;當(dāng)1#源和2#源聯(lián)合供電時(shí)，由于母線電容的存在，輸出電壓會(huì)取公式(1)、公式(2)中的較高的電壓，而輸出電流則為公式(3)中Io+公式(4)中的Io，相當(dāng)于聯(lián)合供電提供了不足的電能。

反向反饋電能時(shí):

1#源給2#源充電時(shí):

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該Boost型雙輸入推挽全橋雙向DC/DC變換器工作原理的正確性，利用 Saber軟件搭建電路模型對(duì)電路進(jìn)行仿真，電路結(jié)構(gòu)如圖9所示，仿真參數(shù)如下:

(1)1#源輸入電壓:Vin1=48 V

(2)2#源輸入電壓:Vin2=36 V

(3)母線電壓:Vbus=60 V

(4)前級(jí)開關(guān)管開關(guān)頻率:100 kHz

(5)推挽電路開關(guān)管頻率:50 kHz

圖5 1#源和2#源聯(lián)合供電時(shí)的主要波形

(6)額定輸出功率:Po=600 W

(7)額定輸出電壓:Vo=120 V

圖5給出了1#源和2#源聯(lián)合供電時(shí)的主要波形，圖中無特別標(biāo)度的箭頭表示參考點(diǎn)0。圖5(a)自上到下 VGS_Q1，VGS_Q2，VGS_Qm1，VGS_Qm2，VC1，Vcf分別為 1、2#驅(qū)動(dòng)波形，推挽母變換器驅(qū)動(dòng)波形，母線電壓，輸出端電壓。由波形可以看出前級(jí)兩個(gè)Boost電路輸出可以在母線電容上穩(wěn)定，通過推挽母變換器隔離傳送到輸出端。圖 5(b)從上到下 VGS_Q1，iLf，VGS_Q2，iL2，iO分別為 1#驅(qū)動(dòng)波形，1#后接Boost電感波形，2#驅(qū)動(dòng)波形，2#后接Boost電感波形，輸出電流，由圖可以看出Boost都工作在電流連續(xù)狀態(tài)，輸出電流能夠穩(wěn)定。

圖6給出了負(fù)載給2#源反饋能量時(shí)的主要波形。圖中從上到下 VGS_Qm3，VGS_Q2m4，VGS_Qm5，VGS_Qm6，VCf2，iL2依次為全橋四個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形，Q3相當(dāng)于Buck單元的驅(qū)動(dòng)波形，輸入電壓，輸入電流，由圖可以看出，全橋單元能夠?qū)⒛芰扛綦x反饋到2#充電，電壓電流穩(wěn)定。

圖6 全橋各管驅(qū)動(dòng)、Q3驅(qū)動(dòng)、2#源充電電壓及電流

從仿真波形可以驗(yàn)證該電路正反向工作的可行性，同時(shí)電路各輸出電壓電流都和理論分析一致。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在仿真基礎(chǔ)上，根據(jù)給定參數(shù)制作了一臺(tái)原理樣機(jī)，并給出與仿真相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)波形(見圖7)。

圖7 1#源單獨(dú)供電時(shí)的主要波形

從實(shí)驗(yàn)波形可以看出，正反向輸出電壓電流都穩(wěn)定，電路能正常工作。由于漏感和開關(guān)管寄存電容的存在，開關(guān)管開斷瞬間都有電流尖峰存在，而且前級(jí)開關(guān)管和母變換器開關(guān)管都會(huì)產(chǎn)生電流尖峰，所以需要一定的吸收電路加以限制。

圖8 負(fù)載給2#源反饋能量時(shí)的主要波形

5 結(jié)束語

在新能源和和雙向變換器廣泛應(yīng)用的今天，本文采用BPCSC并聯(lián)組合給出了一種Boost型雙向雙輸入推挽全橋DC/DC變換器的電路拓?fù)洌⑶以敿?xì)分析了該拓?fù)涞奈宸N工作模態(tài)，推導(dǎo)了輸入輸出關(guān)系，最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。

［1］李艷.多輸入直流變換器電路拓?fù)浼翱刂撇呗匝芯浚跠］.南京:南京航空航天大學(xué).2009.

［2］KIM S K，JEON J H，CHO C H，et al.Dynamic modeling and control of a grid-connected hybrid generation system with versatile power transfer［J］.IEEE Transactions on Industraial Electronics，2008，55(4):1677-1688.

［3］WAI R J，LIN C Y，LIN C Y，et al.High-efficiency power conversion system for kilowatt-level stand-alone generation unit with low input voltage［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55(10):3702-3710.

［4］王勤.單原邊繞組隔離型多輸入變換器的研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2011.

［5］王蕾.Boost型單原邊繞組雙向雙輸入全橋 DC_DC變換器［M］.南京:南京航空航天大學(xué)，2012.

［6］劉玉龍.一種基于推挽電路的雙向直流變換器的研究［M］.河北:燕山大學(xué)，2010.

［7］馬蘭，錢荔.電流型推挽全橋雙向變換器的研究［J］.電力電子技術(shù)，2008.42(1):21-23.

［8］阮潔.多端口直流變換器的研究［M］.南京:南京航空航天大學(xué)，2011.

［9］程慕宇.Boost型單原邊繞組電流源型多輸入全橋變換器［J］.電源學(xué)報(bào)，2012，(1):64-70.