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双向直流-直流变换器报告人：刘士华1双向直流变换器及其分类2正极性输出的双向buck/boost直流变换器3Simulink仿真4接下的任务目录双向直流变换器直流变换器只能将能量从一个方向传到另一个方向，双向直流变换器则可实现能量的双向传输。双向DC/DC电路搭配不同的能量储存单元,不但能够提高能量储存系统的灵活性和效率,同时也改善了系统的动态性能。双向DC/DC变换器正逐步被使用在各种能量系统中,包括混合动力车、燃料电池系统、可再生能源系统等。例如具有双向功能的充电器在供电网正常时用于向蓄电池充电，一旦供电网供电中断，该电器可将电池电能返回电网，向电网短时应急供电。控制直流电动机的变换器也应是双向的，电动机工作时，将电能从电源送到电动机，电动机旋转，带动设备工作，制动时电机能量通过变换器返回电源。双向直流变换器及其分类在电动车的应用中,双向DC/DC变换器搭高能量密度的能量储存单元(如超级电容),可以吸收电机制动的能量。同时,当电动启动、加速、爬坡时,需要较大的电流,双向DCOC变换器又可以从能量储存单元中取出能量,将其变换至额定的母线电压,供电动车使用。一个典型的具有超级电容的电动车能量系统结构如图双向直流变换器及其分类大部分的双向DC电路都可以用图所示的框图描述，根据能量存储单元位置的不同,变换器可以工作于buck模式或者boost模式。当能量存储单元位于低压侧,变换器起到将其输出电压升高的作用,即工作于boost模式;当能量储存单元位于高压侧,变换器将其输出电压降低,工作于buck模式。根据输出特性的要求,双向DC/DC变换器可以工作于电压反馈或者电流反馈模式双向DC的能量流动双向直流变换器及其分类双向直流变换器的分类双向直流变换器不隔离的双向直流变换器隔离的双向直流变换器移向控制双向直流变换器组合式双向直流变换器双向直流变换器及其分类双向单向？双向直流变换器的拓扑结构多是在已有的单向直流变换器的基础上,通过为电路中的开关元件和二极管分别并联反向二极管和开关元件从而实现能量的双向流动。变换双向直流变换器及其分类变换6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Zeta斩波电路和Sepic斩波电路。双向直流变换器及其分类双向buck-boost直流变换器电流双向直流变换器，或称为电流两象限直流变换器，即在以电压为纵坐标和电流为横坐标的平面中，工作于第一和第二象限。另一种为电压双向直流变换器，其输出电压的极性可正可负，但电流方向不变，即该类变换器仅工作在电压和电流坐标系的第一和第四象限。电压电流方向均可改变的直流变换器常称四象限直流变换器，它可在电压和电流坐标平面的四个象限内工作。双向直流变换器及其分类Buck-boost双向直流变换器双向buck/boost直流变换器6种单管直流变换器在它们的开关管上反并二极管，在二极管上反并开关管即可构成4种不隔离的双向直流变换器，即buck-boost,buck/boost，cuke和Sepic-zeta双向直流变换器。BDC是典型的“一机两用”设备，有重要的研究价值，目前BDC的研究主要集中在电路拓扑和控制两个方面。目前研究的几种BDC拓扑存在下面的几个缺陷：隔离型Buck/BoostBDC因含有的隔离型Boost变换器，存在开关管电压尖峰大的问题，难以抑制；Cuk型BDC和Sepic/Zeta型BDC由于其电路拓扑比较复杂，且能量传输过程环节较多，实际应用较少。1994年澳大利亚FelixA.Himmelstoss在PESC’94上发表文章，总结了不隔离双向直流变换器的拓扑结构。由于buck-boost双向直流变换器输出输入电压极性反向，不适合于电动车使用，F.Caricchi提出了一种主电路如图所示的buck-boost级联型双向直流变换器，该变换器输出输入的负端共用。级联型buck-boost双向直流变换器正极性输出的双向buck/boost直流变换器双向直流变换器工作原理双向直流变换电路由4个带续流二极管的开关管VT1~VT4，2个电容C1，C2和一个电感L组成。该电路有两种能量传递方向:U1→U2，U2→U1。这里定义U1→U2为放电模式,U2→U1为充电模式。四种工作状态:U1→U2放电模式,当U1＞U2时,开关管VT1工作,其他开关管全部关断,通过调节VT1的占空比D来调节输出;②U1→U2放电模式,当U1U2时,开关管VT4工作,VT1恒通,其他开关管全部关断,通过调节VT4的占空比D來调节输出;③U2→U1充电模式,当U2U1时,开关管VT3工作,其他开关管全部关断,通过调节VT3的占空比D来调节输出;④;U2→U1充电模式,当U2U1时,开关管VT2工作,VT3恒通,其他开关管全部关断,通过调节VT2的占空比D来调节输出。正极性输出的双向buck/boost直流变换器双向正极性Buck-Boost变换器电感L两端皆为半桥结构，整个拓扑是对称结构,两种能量传递方向下,变换器的调节方式其实是一样。即工作状态①、③工作原理一致,达到降压作状态②、④工作原理一致,达到升压效果。这里只分析能量从U1传递到U2时的①和②两种状态，也只对这两种状态进行仿真。工作状态①:开关管VT1工作,其他开关管全部关断。电感电流连续时电路有两种开关状态。开关状态1[Ton期间]:如图(a)所示,此时开关管VT1导通,其他开关管全部截止。二极管D3向导通,其他二极管全部截止。开关状态2[Toff期间]:如图(b)所示,此时开关管VT1截止,二极管D2正向导通,电感电流iL一不能突变,而是通过二极管D2D3给负载供电。这时候,电感两端电压为-U2,电感电流iL线性减小。正极性输出的双向buck/boost直流变换器工作状态②:开关管VT4工作,VT1恒通,其他开关管全部关断。电感电流连续时电路有两种开关状态。开关状态1[Ton期间]:如图(a)所示,此时开关管VT4导通,二极管D3截止,U1给电感L充电,电感两端电压为U1电感电流线iL线性上升开关状态2[Toff期间]:如图(b)所示,此时开关管VT1截止,二极管D3正向导通,电感电流不能突变,而是跟U1一起经过D3给负载供电,同时给电容C2充电。电感两端电压为U1-U2,由U1U2,则电感电流iL线性降低。正极性输出的双向buck/boost直流变换器主要电路参数计算由于两种能量传递方向下,变换器的调节方式是一样。即工作状态①、③工作原理一致,达到降压效果;工作状态②、④工作原理一致,达到升压效果所以这単。只作能量由U1传递到U2时的①和②两种工作状态下的参数计算。Simulink仿真Simulink仿真为了验证确定的双向直流变换器主电路参数,本文采用MATLABSIMUUNK仿真软件,分别对升压和降压两种情况进行仿真验证。由于充放电工作状态一样,这里只仿真放电模式的工作情况。如图双向直流变换器仿真图,电感L取值200uH、电容C1，C2都取1500uF开关频率20kHZ、负载R为1欧姆。升压状态模式仿真:输入电压U1为44V，VTl直通,保持占空比为1,VT4占空比16%得到输出电压波形如图所示。降压状态模式仿真:输入电压U1为58V，VTl占空比为76%，VT4保持截止状态,即占空比为0,得到输出电压波形如所示。这种双向直流变换器拟在电动汽车中使用。该电路的缺点是所用器件较多，且升压工作时必须同时有两只开关管导通，通态损耗较大，适合于电源电压较高的场合使用。接下的任务深入了解其他复杂的双向直流变换器深入了解电路参数的设计和仿真学习双向直流变换器的控制方案