Buck-Boost型雙半橋DC/DC變換器研究

施林涵 林國(guó)慶 徐質(zhì)彬 林威偉

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108）

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Buck-Boost型雙半橋DC/DC變換器研究

施林涵 林國(guó)慶 徐質(zhì)彬 林威偉

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108）

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)應(yīng)用于光伏系統(tǒng)中的 Buck-Boost型雙半橋 DC/DC變換器，研究一種PWM控制與移相控制結(jié)合的充電與供電控制策略：通過(guò)移相控制實(shí)現(xiàn)光伏電池對(duì)負(fù)載的供電，通過(guò)PWM控制實(shí)現(xiàn)光伏電池對(duì)蓄電池的充電。最后結(jié)合仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了該方案的可行性。

Buck-Boost；PWM；移相控制；能量管理

能源是人類社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步的基礎(chǔ)，隨著世界化石能源的日益枯竭，新能源的開(kāi)發(fā)和利用成為了未來(lái)能源發(fā)展的方向[1-2]，在各類新能源的利用中，光伏發(fā)電系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用得到了廣泛的研究[3-4]。文獻(xiàn)[5]提出了一種應(yīng)用于光伏系統(tǒng)的并聯(lián)式雙輸入變換器，文獻(xiàn)[6]研究了一種非隔離型的雙輸入拓?fù)?，文獻(xiàn)[7]對(duì)半橋電路在離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用做了研究。

光伏發(fā)電系統(tǒng)除了太陽(yáng)能電池和負(fù)載，還需搭載蓄電池作為儲(chǔ)能模塊。光伏電池和蓄電池的電壓等級(jí)不高，在電壓較高的應(yīng)用場(chǎng)合中需要用隔離電路進(jìn)行升壓。同時(shí)光伏電池和蓄電池各自使用一套供電拓?fù)鋾?huì)增大系統(tǒng)的成本。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Buck-Boost型雙半橋DC/DC變換器的光伏系統(tǒng)，將蓄電池的充電電路和對(duì)負(fù)載供電電路耦合起來(lái)，采用PWM控制與移相控制相結(jié)合方式控制系統(tǒng)運(yùn)行。

1　Buck-Boost型雙半橋DC/DC變換器

本文提出的Buck-Boost型雙半橋DC/DC變換器拓?fù)淙鐖D1所示，PV代表光伏電池、bat代表蓄電池，D0為反向阻斷二極管，起保護(hù)光伏電池的作用，以避免由于蓄電池端電壓高于光伏電池端電壓時(shí)蓄電池反向放電給光伏電池帶來(lái)的損害。

圖1　主電路拓?fù)?/p>

將變壓器T和半橋電路四個(gè)開(kāi)關(guān)管S1—S4及電容C1—C4獨(dú)立出來(lái)得到升壓雙半橋DC/DC等效電路如圖2所示，變壓器T實(shí)現(xiàn)了原副邊的電氣隔離，Lr為變壓器漏感折算到原邊的電感值與外接電感之和，是變壓器兩側(cè)能量傳輸?shù)闹匾?。該電路通過(guò)調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)管S1/S3，S2/S4之間的相角的超前和滯后，可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸，本文只研究能量的正向傳輸?shù)那闆r，即控制開(kāi)關(guān)管S1、S2的相位角分別超前S3、S4時(shí)，能量從原邊向副邊傳遞。

圖2　雙半橋DC/DC變換電路

如圖3所示，光伏電池對(duì)蓄電池充電電路與在原副邊傳輸功率的雙半橋 DC/DC變換電路共用原邊的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管，構(gòu)成Buck-Boost電路，該電路由開(kāi)關(guān)管S1和S2、電感Ldc和電容Cbat構(gòu)成。從電路的輸入輸出關(guān)系可以得到

式中，D為開(kāi)關(guān)管S1的占空比，開(kāi)關(guān)管S2的占空比與 S1互補(bǔ)即為 1?D（實(shí)際使用中留有死區(qū)），控制占空比D就可以控制光伏電池對(duì)蓄電池充電。

圖3 光伏電池對(duì)蓄電池充電電路

圖4為電路運(yùn)行時(shí)的工作波形圖，可以看出電路在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期一共有4個(gè)運(yùn)行階段。

圖4　電路工作波形圖

通過(guò)變壓器原邊漏感上的電壓-電流公式可得

再通過(guò)基爾霍夫定理和電感伏秒積公式求出當(dāng)開(kāi)關(guān)管S1和S2分別開(kāi)通時(shí)漏感兩側(cè)電壓大?。?/p>

聯(lián)立式（2）和式（3），當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出功率的表達(dá)式為

根據(jù)式（4）可以看出輸出功率與移向角度間存在關(guān)系，當(dāng)對(duì)應(yīng)前后橋臂的移相角較小時(shí)，由于漏感上的電流上升的時(shí)間短，即使后期能量傳遞時(shí)間長(zhǎng)，輸出功率較小。當(dāng)對(duì)應(yīng)前后橋臂的移相角較大時(shí)，漏感上的電流上升的時(shí)間長(zhǎng)，但后期能量傳遞時(shí)間短，輸出功率也比較小。

2　控制策略

上一節(jié)推導(dǎo)出了系統(tǒng)輸出功率的表達(dá)式，得出系統(tǒng)輸出電壓可以通過(guò)移相角度 φ1，占空比D和開(kāi)關(guān)頻率 fs進(jìn)行控制。變頻的控制方式會(huì)對(duì)濾波電感產(chǎn)生較大影響，不利于系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)。所以本文設(shè)計(jì)的變換器一共有兩個(gè)自由量，分別為移相角度φ1和占空比D。

2.1蓄電池充電控制策略

為了延長(zhǎng)蓄電池壽命，不能單獨(dú)采用恒壓充電或恒流充電。根據(jù)式（1）的關(guān)系可知，改變占空比D的大小，可改變蓄電池的充電電壓，在電路中采樣蓄電池的電壓電流 Ubat、Ibat，編寫(xiě)單片機(jī)程序控制開(kāi)關(guān)管占空比D對(duì)蓄電池進(jìn)行三段充電，如圖5所示。初期荷電狀態(tài)低時(shí)恒流充電，中期恒壓充電，后期浮充。

圖5　蓄電池三段充電特性曲線

2.2移相控制策略

根據(jù)式（4）可知，電路能量傳遞的大小通過(guò)控制對(duì)應(yīng)前后橋臂的移相角角度來(lái)調(diào)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)的輸入電壓增大時(shí)，由于對(duì)蓄電池三段充電實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，占空比D會(huì)隨之改變，進(jìn)而影響副邊輸出電壓，此時(shí)通過(guò)移相角調(diào)整使輸出電壓穩(wěn)定。當(dāng)輸出負(fù)載變化時(shí)，同理調(diào)整移相角角度。在夜晚或無(wú)光照情況下，蓄電池單獨(dú)給負(fù)載供電，此時(shí)可控制占空比不變，僅保留移相角這個(gè)控制量。

2.3控制電路實(shí)現(xiàn)

圖6為電路的控制結(jié)構(gòu)圖。由蓄電池電壓電流采樣、光伏電池電壓電流采樣、dspic單片機(jī)、原邊開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路、副邊開(kāi)關(guān)管隔離驅(qū)動(dòng)電路和輸出電壓采樣幾部分構(gòu)成。蓄電池電壓電流采樣實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池的三段充電控制，在三段充電控制完成后改變移向角，實(shí)現(xiàn)輸出電壓閉環(huán)控制，整個(gè)控制電路以dspic16gs502單片機(jī)為核心，該單片機(jī)可以通過(guò)改寫(xiě)相應(yīng)寄存器改變 PWM對(duì)的占空比、產(chǎn)生橋式電路的互補(bǔ)信號(hào)和產(chǎn)生一個(gè)移相角，與模擬電路相比，控制精確，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。

圖6　電路控制結(jié)構(gòu)圖

3　仿真分析

本文采用 Saber仿真軟件搭建了仿真原理圖。仿真參數(shù)設(shè)定為：fs=50kHz，Upv=20～40V，Ldc=400μH，Lr=7.5μH，C1=C2=1000μF，C3=C4= 100μF，副邊負(fù)載用電阻R表示。

圖7為不同輸入電壓時(shí)，系統(tǒng)輸出電壓波形圖。當(dāng)電壓在25～35V間變化時(shí)，分別仿真三個(gè)不同輸入情況下系統(tǒng)穩(wěn)定后輸出電壓的有效值，發(fā)現(xiàn)其穩(wěn)定在160V左右；圖8是不同輸入下對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)管占空比D和蓄電池電壓波形，為實(shí)現(xiàn)蓄電池恒壓充電，占空比D隨著輸入電壓增大而減小。圖9是不同輸出負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)的輸出電壓。

圖7　不同輸入電壓時(shí)，系統(tǒng)輸出電壓波形圖

圖8　不同輸入電壓時(shí)，蓄電池充電電壓波形圖

圖9　不同輸出負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)輸出電壓波形圖

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證所提出的 Buck-Boost型雙半橋 DC/DC變換器的可行性，搭建一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，設(shè)計(jì)要求如下：光伏電池輸入電壓：20～40V DC，額定輸出電壓：160V，實(shí)驗(yàn)中采用直流穩(wěn)壓源串接滑動(dòng)變阻器來(lái)模擬光伏電池；系統(tǒng)工作頻率：50kHz；蓄電池使用愛(ài)普遜閥控密封式鉛酸蓄電池，標(biāo)稱電壓：12V，20h容量7Ah。

圖10和圖11為光伏電池輸入電壓分別為25V 和35V時(shí)，系統(tǒng)原副邊開(kāi)關(guān)管下管S2和S4的驅(qū)動(dòng)波形、蓄電池電壓波形和輸出電壓波形。電壓從25V變化到35V時(shí)，移相角度從23°下降到 19°，占空比則從 61.9%上升到 69.4%，輸出電壓和蓄電池充電電壓通過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。

圖10　VPV=25V時(shí)，開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)、輸出電壓、蓄電池電壓波形

圖11 VPV=35V時(shí)，開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)、輸出電壓、蓄電池電壓波形

圖12為輸入不變，負(fù)載變化時(shí)，開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)和輸出電壓波形，當(dāng)負(fù)載電阻R從600Ω變化到300Ω時(shí)，移相角由28°提高到45°，輸出電壓不變。圖13為調(diào)整開(kāi)關(guān)管占空比，控制蓄電池恒流充電的波形，蓄電池充電電流穩(wěn)定在700mA。

圖12　負(fù)載變化時(shí)，開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)和輸出電壓波形

圖13　蓄電池恒流充電波形

5　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)光伏系統(tǒng)中使用的 Buck-Boost型雙半橋DC/DC變換器，并研究一種應(yīng)用與該電路的PWM控制與移相控制結(jié)合的控制策略，先通過(guò)PWM控制實(shí)現(xiàn)光伏電池對(duì)蓄電池的智能充電，再通過(guò)移相控制實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的恒壓供電。文章對(duì)電路拓?fù)浜涂刂撇呗赃M(jìn)行了分析，并結(jié)合仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果論證了該拓?fù)浜涂刂撇呗缘目尚行浴⒂行浴?/p>

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Research on Buck-Boost Double Half Bridge DC/DC Converter

Shi Linhan Lin Guoqing Xu Zhibin Lin Weiwei
(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108)

The paper designed the Buck-Boost double half bridge DC/DC converter in photovoltaic system and researched a kind of charging and power supply control strategy that combined with PWM control and phase shift control: through phase-shifting control realizes the supplying from photovoltaic battery to the load, through PWM control realizes intelligent charging from photovoltaic battery to the battery, finally combined with simulation and experimental results to verify the feasibility of the scheme.

buck-boost; PWM; phase shifting control; energy management

施林涵（1991-），男，福建福州人，碩士研究生，研究方向電氣工程。