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一种新颖的软开关双向DC/DC变换器 摘 要随着开关电源朝向高功率密度、高效率，高频化的方向发展，双向DC/DC 变换器已经广泛应用于蓄电池充放电、电动汽车车载电源、直流不停电电源系 统、航空能源等领域中。由于环境保护和能源短缺等问题的提出，推动了双向DC/DC变换器在太阳 能光伏独立发电系统、风能发电系统、混合能源电动汽车、移动式发电系统等 领域中的发展应用。在这些应用场合都需要一个高效率高可靠性的储能环节，通常为蓄电池装置，因此需要一双向DC/DC变换器来控制能量的双向流动。由 于这些应用领域的高低压侧电压等级相差较大，使用现有的双向DC/DC变换器 拓扑已经不再适合。本文在研究双向DC/DC变换器新拓扑与新控制策略的基础上，结合了级联 型变换器与推挽/全桥结构变换器的优点，提出了一种新型的软开关双向DC/DC 变换器.在降压变换时，采用移相全桥ZVZCS-PWM结构；在升压变换时，采用推挽隔离式Boost变换器结构，由Boost变换器级联推挽变换器构成，并通 过一种控制策略去除了其中冗余元件，得到了一新颖的两级式升压变换器。针 对升压变换，提出了利用耦合反激式电感实现软开关的新颖方法，研究表明该 方法具有较广的通用性,所提出变换器适用于高低压侧电压等级相差较大的能 量双向流动场合。论文详细的分析了所提出双向DC/DC变换器的工作原理和设计了控制电 路。论文研究了该变换器产生偏磁的原因以及抗偏磁的具体措施。同时，论文 对该变换器的电磁兼容性设计做了初步的研究，为其应用于大功率场合提供了 一些理论基础。最后，制作了实验样机，实验结果验证了理论分析的正确性。关键词：双向DC/DC变换器、软开关、Boost变换器、推挽变换器、电磁兼容、偏磁、耦合反激式电感A Novel Soft-Switching Bi-Directional DC/DC Converter AbstractWith the development of high power density,high efficiency and high frequency of the switching power supply the bi-directional DC/DC converter has been widely used in the fields of battery energy storage systems,electric vehicle power supplies,DC uninterruptible power systems,aerospace power systems and so onBecause of the environment protection and the lack of the energy sources,the bi-directional DC/DC converter will be promoted to be applied in the applications such as the independent solar energy photovoltaic system,wind energy generation system,hybrid energy electric vehicles,mobile generation system.A high efficiency and high reliability storage energy system is needed in these applications.The storage energy system usually is a battery device,so it needs a bi-directional DC/DC converter to control the flowing of the energy.In these applications,the voltage level between the high voltage side and the low voltage side is greatly different,so it is no longer fit to use the existing bi-directional DC/DC converter.On the basis of researching the new topologies and the new control strategies of bi-directional DC/DC converter,this paper proposes a novel soft-switching bi-directional DC/DC converter by combining the cascade converter with the Push-pull/full-bridge converter.It uses phase-shifted full-bridge ZVZCS-PWM DC/DC converter when in buck mode.In boost mode,the Push-pull isolated Boost converter is used,which is cascaded by a boost converter and a push-pull converter,and is eliminated the redundancy components by a control strategy,a novel two-stage boost circuit topology is formed.Pointing to the step-up conversion,a novel method to achieve soft-switching by using a flyback coupled inductor is proposed,and the method has wide adaptability.The proposed converter is very capable of the application of bi-directional energy flowing when the voltage level between the high voltage side and the low voltage side is greatly different.This paper analyzes the operation principle of the proposed bi-directional DC/DC converter in detail and designs the control circuit.The paper researches the reasons of magnetic bias of the proposed converter and the special methods to eliminate the magnetic bias.Meanwhile,the paper does elementary study on the EMC of the converter,preparing for it is applying in the high power application.At the end,a prototype is designed,and the experiment results are in accord with the theoretical analysis.Key Words:bi-directional DCZDC converter;soft-switching;Boost converter;Push-pull converter;EMC;magnetic bias;flyback coupled inductor插图清单图1.1直流/交流不停电电源系统.2图1.2航空电源系统.2图L3太阳能光伏独立发电系统.2图L4交流/直流电机驱动系统.3图1.5电动汽车电力驱动控制系统.3图1.6超导电容加速系统.4图L7飞机高压直流电源系统.4图1.8移动式发电系统.5图1.9双向DC/DC变换器的原理.6图1.10单向DC/DC基本变换单元.7图L11双向DC/DC基本变换单元.7图L12基本的双向DC/DC变换器.7图L13 Buck/Boost型双向变换器.8图1.14隔离型双向DC/DC变换器.8图1.15隔离型双向DC/DC变换器.9图1.16 一种软开关低通态损耗的双向DC/DC变换器.11图L17三电平Buck/Boost双向变换器.12图1,18级联型Buck/Boost三电平双向变换器.12图149正反激组合式双向DC/DC变换器.12图1.20级联型双向DC/DC变换器.:.13图1.21 Buck型交错并联双向变换器.14图1.22三相Buck/Boost双向变换器.14图1.23传统Buck/Boost双向变换器.15图1.24无磁性元件开关型双向变换器.15图1.25多输入端双向DC/DC变换器.15图1.26推挽正激移相双向DC/DC变换器.16图L27 一端稳压一端稳流型软开关双向DC/DC变换器.16图1.28电流型/电压型全桥双向DC/DC变换器.17图L29电流型全桥双向变换器的简化电路模型.17图130改进型全桥双向DC/DC变换器.18图2.1新型软开关双向DC/DC变换器主电路拓扑.21图2.2降压变换电路模型.22图2.3升压变换电路模型.22图24移相控制FB-ZVS-PWM变换器电路拓扑.23图2.5 PS-FB-ZVSPWM变换器工作波形.24图2.6PS-FB-ZVS-PWM变换器半周期等效工作电路.26图2.7带饱和电感的PS-FBZVSPWM变换器.29图2.8饱和电感移至副边.29图2.9利用变压器激磁电感的PSFB-ZVS-PWM变换器.30图2.10利用输出滤波电感的PS-FB-ZVS-PWM变换器.30图2.11利用辅助电路的PS-FB-ZVS-PWM变换器.31图2.12利用隔直电容和饱和电感的PS-FBZVZCSPWM变换器.31图2.13带有源箝位电路的PS-FB-ZVZCS-PWM变换器.32图2.14几种全桥移相变换器占空比丢失示意图.32图2.15推挽DC/DC变换器.33图2.16开关管团的驱动和两端电压.33图2.17软开关推挽式隔离型Boost DC/DC升压变换器.34图2.18升压变换时的主要工作波形.35图2.19升压时半个周期电路工作各个阶段等效电路.35图2.20变压器磁化曲线.38图2.21全桥DC/DC电路结构.38图2.22隔直电容抑制偏磁.38图2.23变压器原副边电流波形.41图2.24推挽变换器.41图2,25 一簇耦合电感反激式ZVT DC-DC变换器.43图2.26能量反馈至负载端ZVT Boost变换器.43图3,1双向DC/DC变换器主电路.44图4.1TL494内部结构等效电路图.51图4.2 TL494的脉宽调制控制原理各级工作波形图.52图4.3升压变换控制电路.54图44 TLP250的内部结构简图.:.57图4.5升压开关管的驱动电路.57图4.6电流检测电路.58图4.7UC3875的内部功能方框图.:.59图4.8 UC3875外围电路图.62图49降压驱动电路.62图4.10降压变换电压电流反馈电路.63图5.1电容性干扰.65图5.2电容性干扰的屏蔽.65图5.3电感性干扰.:65图5.4导体外接屏蔽体.65图55 变压器屏蔽.65图5.6串联单点接地.66图5.7并联单点接地.66图5.8多点接地.66图5.9 浮接地.66图5.10差模共模干扰.67图5.H共模滤波器.67图5.12差模滤波器.67图5.13共模差模漉波器.67图5.14 变压器隔离.68图5.15扼流圈隔离.68图5.16光耦隔离.68图5.17时间隔离.68图5.18开关电源共模干扰.69图5.19开关电源差模干扰.69图5.20变压器等效模型.71图5.21漏感引起EMI示意图.71图5.22变压器漏感取不同值时的仿真波形.72图5.23用原边匝间电容代替谐振电容等效电路.73图5.24全桥变换器dildt回路引起的EMI.73图5.25全桥变换器duldt回路引起的EM1.74图5.26驱动信号不一致.74图5.27高频变压器引起的EMI.74图5.28电路元件的高频特性.75图6.1主要实验波形.78图6.2变换器效率曲线.79图6.3升压变换主要试验波形.80图6.4 变换器的效率曲线.S0第一章绪论随着现代工业的快速发展，电力电子技术也取得了日新月异的进步.电力 电子技术就是使用电力半导体器件和电子技术实现电能变换和控制的技术。电 力电子技术、计算机技术和自动控制技术是现代工业发展的三大重要推动力量.自20世纪60年代以来，电力电子技术逐渐发展完善，研究内容非常广泛，包 括电力半导体器件、磁性元件、集成电路、DC/DC直流变换器、DC/AC逆变器.AC/DC整流器、AC/AC交交变频装置、功率因数校正、电磁兼容、软开关技术、大功率开关电源的并联均流、电路拓扑的建模、控制方法的研究、级联多电平 变换器、同步整流技术等诸多领域。电力电子技术已经被广泛应用于工业生产、社会生活和科学研究等各个方面，如感应加热、电子镇流器和照明系统、交直 流传动、交直流不间断电源、电解电镀、电机控制、燃料电池、直流输配电、谐波抑制和无功补偿、电能变换等领域。半导体元器件的应用、控制技术和 电能变换技术是电力电子研究的三个主要内容，其中电能变换技术是开关电源 的研究基础，电子开关DC/DC变换器是开关电源的一个重要研究方向.由于工 业生产和社会生活对于环境保护、节约能源等实际需求的日益突显，并且随着 新的电力电子元器件不断出现，新的开关电路拓扑不断被提出以及新的控制策 略不断被采用，开关电源不断朝向高功率密度、高开关频率、高效率、高可靠 性、低成本、小型化、智能化、模块化的方向发展.随着工业生产技术的不断发展革新，社会生活需求的不断提高，以及发展 新能源的要求日益紧迫，电力电子技术将继续快速发展。伴随着计算机技术、微电子技术和控制技术的不断革新和进步，电力电子技术将在今后的一段时期 内致力于以下一些研究热点12H句：新型半导体器件原材料的研究，高性能的功 率开关器件、电力电子积木和集成电力电子模块，电磁兼容和谐波抑制，有源 滤波和无功补偿，交流变频调速技术，软开关技术，基于数字信号处理的控制 技术，高压直流输电和柔性交流输电，三相功率因数校正技术，开关电路拓扑 及控制电路的建模分析，电力电子电路拓扑向量的研究，级联多电平变换器的 研究，新能源的开发，电力电子变换器的组合等等。DC/DC直流变换器做为开关电源的一个重要组成部分，广泛应用于工业生 产、家用电器、办公室计算机、航天卫星、军事科研等领域中，用于对电能进 行转变、加工和调节。近年来，双向DC/DC变换器已经被广泛应用于蓄电池充 放电、电动汽车车载电源、直流不停电电源系统、航空能源、太阳能光伏独立 发电系统等领域中。因此，双向DC/DC变换器的研究倍受关注。随着软开关技 术的发展，新颖电路拓扑的不断提出，新颖的控制方法的不断采用，同步整流 技术的发展，双向DC/DC变换器也不断的朝向高功率密度、高效率、高可靠性 的模块化开关电源方向发展.1.1双向DC/DC变换器的应用17H随着开关电源的低成本，小型化，高可靠性，高效率的要求不断提高，双 向DC/DC变换器广泛应用于能量双向流动的场合：蓄电池充放电、直流不停电 电源系统、航空能源、直流功率放大器等。由于环境保护和能源短缺等问题的 提出，推动了双向DC/DC变换器在太阳能光伏独立发电系统、风能发电系统、混合动力汽车、节能型建筑等新领域的应用1 4.1直流/交流不停电电源系统在直流不停电电源系统中，一种常用的系统结构如图1.1(a)所示，蓄电池通 过双向DC/DC变换器并接到直流母线上，正常工作时，AC/DC变换器调节稳 定直流母线上的电压，对挂接在直流母线上的负载供电，同时通过双向DC/DC 变换器对蓄电池进行充电，一旦外部交流电源掉电，双向DC/DC变换器迅速反 应控制蓄电池放电以维持直流母线电压稳定。使用双向变换器的DC-UPS系统 为负载提供了高品质，高可靠性的供电电源.在交流不停电电源系统中，双向DC/DC变换器也被用来作为AC-UPS中间 直流总线与蓄电池之间的变换环节,系统结构如图1.1(b)所示。通过双向DC/DC 单元易于优化蓄电池的充放电过程，有效延长蓄电池寿命和提高充电效率，在 某些场合亦可以起到隔离作用。在市电故障时，使蓄电池给逆变器供电以提供 负载能量.(a)双向DC/DC变换器应用于DC-UPS(b)双向DC/DC变换器应用于AC-UPS图L1直流/交流不停电电源系统1.1.2航空电源系统回可理配三 双向臂交换图1.2航空电源系统 图1.3太阳能光伏独立发电系统在航天飞机、卫星、航空空间站等航天电源系统中，其能源的提供主要来 自于太阳能和蓄电池，高功率密度的双向DC/DC变换器是其电源系统中的重要 环节，图L2为一简化的航空电源系统结构图。在日光充足时，太阳能电池阵列 2的应用电动汽车中电机运转速度范围很宽，随着放电深度的增加蓄电池端电 压变化范围很大，严重影响了电动机的驱动性能，使用双向DC/DC变换器取代 单向变换器可以显著提高电机的驱动可靠性和稳定性.双向DC/DC变换器一方 面可以将刹车制动时的动能转化为电能储存在蓄电池中，节约能源和优化电机 性能；另一方面可以避免在使用单向DC/DC变换器时出现的反向制动无法控制 和变换器输出端出现尖峰电压的情况.图L4所示为常用的直流/交流电动机驱动控制系统，对于直流电动机直接 用双向DC/DC变换器作为中间的电能变换装置.对于交流电机、同步电机采用 间接的驱动方式，在双向DC/DC变换器的后级串联一 DC/AC逆变器给交流电 机供电双向DC/DC变换器通过调节逆变器的输入电压来调整交流电机的输入 端电压，使得交流电机实现无级调速，运行稳定，效率较高；在回馈制动时，汽车动能转化为电能通过双向DC/DC变换器对蓄电池进行充电，回馈制动简单 可靠,以燃料电池为动力的电动汽车和混合能源电动汽车电力驱动系统如图L5 所示，燃料电池系统中一般含有一个压缩电机消耗单元，正常工作时，该压缩 电机由燃料电池输出供电，但在电动汽车刚启动时，燃料电池电压尚未建立起 来，不足以供电给压缩电机，需要辅助电源（一般为蓄电池）来供电，这就需要一 台双向DC/DC变换器。在燃料电池发电前，蓄电池通过双向DC/DC变换器升 压，提供高电压母线的能量，启动完毕，重新由燃料电池提供能量；当汽车制 动时，逆变器通过双向DC/DC变换器将再生制动的能量储存到蓄电池中。图1.6超导电容加速系统 图1.7飞机高压直流电源系统在电动汽车系统、舰船系统等领域中，蓄电池存在着瞬时输出功率有限的 缺陷，可以通过双向DC/DC变换器和超容电容组合来增大瞬时功率，从而提高 汽车系统的加减速性能.超容电容具有90%以上的充放电效率，充放电电流可 达数百安培，使用寿命很长。图L6所示为超容电容加速系统，汽车快速加速时,超容电容提供大的充电电流，减速时，迅速吸收制动能量。超容电容和蓄电池 混合电源系统减小了储能环节体积，提高了系统的效率和寿命，节约了成本。1.1.5飞机直流电源系统飞机的高医直流电源系统要求体积小，重量轻，高效率，高可靠性。为了 减小系统的体积和重量，双向DC/DC变换器将越来越多的应用于现代飞机的高 4压直流输配电系统。图1.7为双向DC/DC变换器应用于飞机高压直流电源系统 的结构图.在发电机正常工作以前，由蓄电池给起动/发电机供电。发电机正常 工作以后，输出270V高压直流电给负载提供能量，同时通过双向DC/DC变换 器给蓄电池充电储能主电源出现故障时，蓄电池通过双向DC/DC变换器给重 要负载供电。当直流母线电压抬高时,蓄电池可以作为并联负载通过双向DC/DC 变换器吸收直流母线上过高的能量，抑制电压过高.在该系统中，双向DC/DC 变换器的多重功能减小了系统的重量体积，提高了系统的供电效率和可靠性，容易实现不间断供电。L1.6移动发电系统在常用的发电系统中，柴油发动机以恒定的转速带动交流电动机转动，同 步电机再将机械能转换为三相交流电能.当柴油发电机的负载不是额定值时，以恒转速运行的柴油发电机无法工作在最大效率点，一部分能量被损耗掉.为 此，一种新型的移动式发电系统被提了出来,如图L8所示。当负载发生变化时,柴油发电机的速度发生相应变化，保证系统工作在最大效率点处。双向DC/DC 变换器在正常工作时对控制电源，辅助负载、蓄电池充电。当负载突变时，由 于电动机的惯性，转速不能马上发生变化，整流器的输出能量不能突变。如果 负载变小，可以通过双向DC/DC变换器将多余的能量继续给蓄电池充电；如果 负载变大，蓄电池通过双向DC/DC变换器给负载提供部分能量。整个系统的响 应速度和效率都是比较高的。图1.8移动式发电系统以上概述了几种双向DC/DC变换器已经取得广泛应用或者存在巨大应用 潜力的场合。此外，双向DC/DC变换器还可以用于直流功率放大器、电网蓄电 池能量储备系统、两级式DC/AC双向变换器等领域中。总之，随着环境保护和 节约能源等的需求不断增加，双向DC/DC变换器因为能够减小系统的体积重 量，降低成本，提高效率，将越来越多的被应用于工业生产和社会生活中.51.2 双向DC/DC变换器的原理和基本拓扑1.2.1 双向DC/DC变换器的原理7H川航空能源系统，太阳能光伏独立发电系统、燃料电池应用系统等领域都有 一个共同特点，即正常工作时由太阳能电池、燃料电池或其它可再生能源发电(一次能源)为负载供电，同时需要通过一台DC/DC变换器为储能装置蓄电池充 电，当一次能源不能满足负载工作要求时，蓄电池也需要通过一台DC/DC变换 器将能量反送至直流母线为负载供电，这就意味着需要能量可以双向流动。传统方案采用两台单向DC/DC变换器分别完成蓄电池充电和蓄电池放电 过程，如图1.9(a)所示.这是因为通常的单向DC/DC变换器在主功率传输通路 上存在着二极管这个环节，阻碍了电流双向流动。能量正向传递时，由单向 DC/DC变换器1处理Vi至U Vz的能量流动；能量反向流动时，由单向DC/DC 变换器2控制V2向V1的能量流动。由于使用两台DC/DC变换器，变换装置的 体积较大，利用率和性价比较低，由正向工作向反向工作的切换时间比较长。如果可以用一台DC/DC变换器同时完成蓄电池充电和蓄电池的能量反送过程，这将大大地减小装置体积，提高装置利用率和性价比，这就促使人们试图合并 DC/DC变换器1和2,并将双向DC/DC变换器应用到需要能量双向流动的场合。改进的控制方案如图1.9(b)所示，使用双向DC/DC变换器代替原来的两个 分立的变换器，根据实际需要，实现从高压到低压的变换(蓄电池充电)和实现从 低压到高压的变换(蓄电池能量反送).简单的说，双向DC/DC变换器是在各种 传统的变换器拓扑基础上，用双向开关取代了单向开关，即去除了阻碍功率双 向流动的二极管,双向DC/DC变换器的输入输出端电压极性相同，但输入输出 端的电流方向可以改变，是一个二象限运行的功率单元。双向DC/DC变换器在 需要能量双向流动的场合，可以减小系统的体积重量，节约成本，提高效率和 系统的动态响应速度。能量反向流动(II,120)能量反向流动(II,12 Nf2将磁 场储能通过二极管VDF1 VDra输送到输出端，Si、S2的占空比由0开始逐渐 增大.当占空比大于0.5,电感储能完全经变压器向V2侧传递，电感的反激绕 组停止工作。L4.10改进的移相全桥式双向DC/DC变换器基于全桥结构的双向DC/DC变换器通常可以分为两端电压型和电压/电流 型。对于电压型结构，通常利用移相角来控制功率流向和大小，这种拓扑环流 能量大，使用变压器漏感传递能量，降低了变换器效率，增加了功率变压器的 设计成本，限制了输出功率。对于电压/电流型结构，开关管的尖峰电压以及启 动冲击电流问题是电流型拓扑的固有的问题口L图1.28所示为传统的电流型/电压型结构的移相全桥双向DC/DC变换器 为便于分析，简化变压器模型，忽略励磁电流，把漏感折算至同一侧，得到电 流型全桥双向变换器的简化电路模型如图1.29(a)所示，即一 Buck/Boost双向变 换器。根据功率的不同流动方向分为Buck方向和Boost方向，如图1.29(b)、(c)所示.漏感人是引起开关管电压尖峰的的主要原因，在功率流动方向不同时，开关管上电压尖峰产生机理不同。隔离型Boost变换器电压尖峰产生简化模型如图所示，在开关管SBoost 关断后，电感“中电流不能突变，在人中电流达到输入升压电感电流之前，电 流&=九一心给开关并联电容Cbom充电，形成电压尖峰；漏感电流以(VsRxwVo)k的斜率增大，直到等于儿。因此，Boost方向的开关电压尖峰是基 于电流源对电容充电的原理，能量是有源的，比较大，抑制困难。隔离型Buck电路电压尖峰产生简化模型如图e)所示，在SB3关断后，由 于人中的电流不能突变，及和Sb11cle的等效并联电容振荡产生电压尖峰。此振荡 为无源振荡，能量有限，易于抑制。S用图1.28电流型/电压型全桥双向DC/DC变换器(a)等效模型(b)Buck方向模型(c)Boost方向模型图1.29电流型全桥双向变换器的简化电路模型在隔离型Boost变换过程中，变换器开始工作以前输出电压为零，在输出 电压上升到等于输入电压以前，升压电感。一直处于单向励磁状态，需要采取 措施给Boost电感复位，以免产生饱和，这就是升压启动问题。为了解决电流型全桥双向变换器的电压尖峰和启动冲击电流问题，文献【川 提出了一新型无源辅助网络的电流型全桥双向DC/DC变换器。文献你】提出了一 带软启动电路的有源箝位型软开关全桥双向DC/DC变换器.如图L30(a)、(b)所示图(a)中利用无源缓冲电路有效减小了升压电感和变压器漏感中电流的不 匹配，从而抑制了电压尖峰，且电路中的环流能量很小.图(b)中利用Sc、Cc 组成的有源箝位电路实现了双向变换时的软开关，给升压电感增加反激辅助 绕组接到负载端，实现了软启动.(b)软启动有源箝位型软开关全桥双向DC/DC变换器图130改进型全桥双向DC/DC变换器L5双向DC/DC变换器的控制方式网灯双向DC/DC变换器的控制方式基本上与单向DC/DC变换器相同，主要包 括电压模式控制和电流模式控制。电压模式控制通常为输出电压反馈的单环控 制系统，系统的动态响应差，稳定性较低。电流模式控制是在电压环的基础上 引入电流环从而构成双闭环控制系统.电流控制模式具有动态响应快，稳定性 好，电流冲击小等优点.控制系统的实现主要有模拟电路和数字电路两种途径。模拟控制电路主要 利用专用的PWM芯片(如TL494、UC3875、UC3842、UC3907)和一些逻辑芯片 构成脉冲发生、驱动、保护电路，因此动态响应快，便于调试，误差小，成本 较低。数字控制电路主要通过软件系统来实现，如单片机系统和DSP信号系统。数字控制电路可以降低系统硬件部分的设计，减少分立元件，从而提高可靠性,18可以通过控制算法编程实现复杂的电路功能,随着微处理器运算速度的提高，数字控制技术将是大功率，智能化、高性能开关电源的发展方向随着学科交叉发展的深入，现代控制理论中的很多技术被逐渐应用到开关 变换器中来。这些技术也被研究应用到双向DC/DC变换器的控制系统中，如滑 模变结构控制，模糊控制，神经网络控制等H5工1.6 双向DC/DC变换器的建模研究闾倒开关变换器为了达到动静态性能指标和满足输出要求，是一个反馈闭环控 制系统。早期对开关DC/DC变换器的控制系统的设计分析主要采取的方法有频 域法和根轨迹法，这需要把DC/DC变换器看作一个线性系统。然而由于DC/DC 变换器中含有开关管、二极管、电感等非线性因素，DC/DC变换器实际上是一 个非线性高阶离散时变系统，采用经典控制理论是不合适的，因此就需要采用 新的方法来研究分析开关变换器。随着电力电子技术和现代控制理论的发展，开关变换器的建模已成为分析 其动静态性能指标的重要方法之一，建模对于开关变换器的控制系统设计、参 数优化具有重要意义.DC/DC变换器的建模方法有：状态空间平均法、开关元件平均模型法、开 关网络平均模型法、电路平均法、离散建模法等.常用状态空间平均法建立开 关变换器小信号模型来分析变换器特性。应用于单向DC/DC变换器的建模方法也可以用到双向变换器系统中，但又 不是完全一样的，因为双向DC/DC变换器在两个功率变换方向上控制模型通常 是不同的，这就需要为两个功率方向单独建模分析。因此研究双向DC/DC变换 器的建模方法成为近年来的一个发展方向。鉴于双向DC/DC变换器的广泛应用，已经有一些文献【58H6U对双向DC/DC 变换器的控制模型进行了研究。目前研究双向变换器的控制模型技术还不是很 完善，有必要做进一步的研究。1.7 新型软开关双向DC/DC变换器的研究意义鉴于双向DC/DC变换器应用领域不断拓展,已经存在的大多数双向DC/DC 变换器不能够完全满足实际需要。在太阳能风能独立发电系统中，升降压电压 等级相差较大，采用现有的变换器拓扑很难同时满足高效率、高功率密度的要 求，为此有必要设计出适合于该应用领域的双向DC/DC变换器。论文在研究了 很多双向DC/DC变换器拓扑的基础上,提出了一种新型的双向DC/DC变换器,该变换器可以实现功率双向流动过程中的软开关，具有高的功率密度、高效率、高可靠性。同时论文分析了该变换器的直流偏磁问题和电磁兼容性设计，为该 变换器的实际应用提供了一定的理论依据第二章新型软开关双向DC/DC变换器2.1 新型双向DC/DC变换器拓扑提出随着电力电子技术和新能源利用技术的发展，双向DC/DC变换器在直流不 停电电源系统、航空能源系统、太阳能光伏发电系统、燃料电池应用系统以及 基于燃料电池和混合能源的电动汽车或船舶等领域具有广泛的应用前景，已经 引起了国内外专家的广泛关注。由于环境保护和能源短缺的要求，对于太阳能 光伏发电系统、风能发电系统和以太阳能电池为动力的混合电动汽车的研究成 为一个热点内容。在这些应用领域中都需要一个高效率高可靠性的储能环节，通常为蓄电池装置，因此研究一种合理的双向DC/DC变换器对于这些系统高 效、高功率密度、小型化.高可靠性的要求具有重要的意义.绪论部分已经简要介绍了双向DC/DC变换器的不少电路拓扑，主要有：双 向反激式变换器，正反激组合式双向DC/DC变换器，推挽正激移相式双向 DC/DC变换器，移相全桥式双向DC/DC变换器，三电平双向DC/DC变换器，基于全桥/推挽结构的软开关低通态损耗的双向DC/DC变换器，级联型双向 DC/DC变换器等。以上每种拓扑结构各有优缺点，基于反激结构，结构简单，易于实现软开 关，但只适用于小功率场合；移相全桥式双向DC/DC变换器是研究的比较多的 一种，两边均采用移相控制的全桥结构，可用于大功率场合，开关管容易实现 零电压开关，但当低压侧电压较低时，开关管的通态损耗造成变换效率降低，因此不适合用于高低压侧电压等级相差较大的场合；基于全桥/推挽结构的软开 关低通态损耗的双向DC/DC变换器是高压侧为移相控制软开关全桥结构，低压 侧为推挽结构，在低压侧引入有源钳位电路实现升压变换时的软开关，但电路 中使用了较多的电感、开关管等元件，电路结构相对较复杂，装置体积较大，功率密度低；级联型双向DC/DC变换器，是针对高压侧与低压侧电压等级相差 较大的场合，由两级独立的变换器组成，文献即提出的级联型双向变换器是一 个Buck/Boost变换器与桥式双向DC/DC变换器组成，低压侧采用的是桥式变 换器，当低压侧电压较低时，两个开关串联的管压降使得变换器效率下降，同 时两个独立的变换器简单串联，使得整体效率不会太高。太阳能光伏发电系统使用的双向DC/DC变换器的低压侧大多为24V的蓄 电池，高压侧一般接高压直流母线，电压大多为310V或540V。基于太阳能电 池的混合动力汽车中使用的双向DC/DC变换器的低压侧大多为24V的蓄电池,高压侧接270V高压直流母线。由于高低压侧电压等级相差很大，且功率比较大,如果采用现有的双向DC/DC变换器拓扑，由上文分析很难做到高效率、高功率 密度。采用全桥式双向DC/DC变换器，则低压侧有两个开关管或反并联二极管 的通态压降，占输入（升压时）或输出（降压时）电压的比例较大，使得变换器效率 20较低，因此低压侧采用全桥结构是不合适的.采用全桥/推挽结构的软开关的双 向DC/DC变换器基本满足上面提出的要求，但电路中用到较多的电感等元件，电路复杂，功率密度较低。此外，采用大多数传统双向变换器结构存在一个共 同的问题，由于完全依靠变压器实现降压和升压的变换，变压器原副边绕组匝 比较大，绕组间耦合不佳，使得漏感较大。漏感大，引起电路较大的振荡，使 得开关管上电压应力增大，电磁干扰增加，降低变换器效率；漏感还会引起较 大的占空比丢失，使得变压器磁芯利用率降低，从而不利于变换器的优化设计.采用级联型的双向DC/DC变换器，虽然解决了变压器匝比过大的问题，但由于 功率经过两次转换，同时降压时仍然有两个开关串联的管压降，变换器效率不 高。综上所述，寻求一种适合在高、低压侧电压等级相差较大且功率较大场合 应用的高效、高功率密度的双向DC/DC变换器的电路拓扑，对于太阳能、燃料 电池等新能源技术的发展具有重要的意义。论文结合了级联型电路结构与全桥/推挽型电路结构的优点，针对一电动汽 车车载电源提出了一种新颖的双向DC/DC变换器，电路拓扑如图2.1所示。降 压时采用移相控制ZVZCS-PWM全桥功率变换，输出利用低压侧推挽开关管 的反并联二极管整流，技术成熟，控制简单，效率比较高.升压时采用带变压 器隔离的Boost变换器，输出利用高压侧四个开关管的反并联二极管整流。带 变压器隔离的Boost变换器是Boost变换器与推挽变换器的级联,通过一种控制 策略，去掉了其中的冗余元件，使得两个独立的功率模块级联为一个整体结构,得到一种新颖的升压电路拓扑,这种升压变换器通过Boost和隔离变压器的两 级升压，适合应用在原副边电压等级相差比较大的场合。升压时，通过引入耦 合电感能量反馈辅助电路，实现了所有开关管的软开关。图2.1新型软开关双向DC/DC变换器主电路拓扑所提出新型双向DC/DC变换器具有如下优点：1、降压和升压时，开关管均为PWM控制方式，且Si、S2.S3,S4共发射 极，因此它们的驱动电路无需隔离，控制电路简单可靠。2、降压时S7实现了 ZVS,S6s Sg实现了 ZCS,升压时，Si为ZVT,S3、S4为零电压开通与零电流关断，Sz实现ZCS开通和近似ZVS关断，升、降 压时变换效率均比较高。3、。既可以作为升压时的储能电感，也可以作为降压时的滤波电感，同时 21去除了常规Boost变换器中升压二极管、滤波电容，因此变换器的元器件较少,结构简单，整个装置的体积得到了有效减小.由于去除了冗余元件，使得原本 独立的两个变换器级联为一个整体结构，功率只经过一次转换，变换器效率比 较氤4、升压时，任意时刻，开关管Si，S3、S4只有一个导通，Sz的工作时间很 短忽略不计，因此，通态损耗较小。5、降压时可实现低压侧两个推挽管的同步整流，进一步提高了效率。2.2 新型双向DC/DC变换器的工作原理2.2.1 降压变换工作过程降压变换时，CPU封锁低压侧开关管S卜S2.S3、S4的驱动信号，K不动 作，使饱