DC-DC直流变换器

实用标准文案文档第一章绪论本章介绍了双向DC/DC变换器（Bi-directionalDC/DCConverter，BDC)的基本原理概述、研究背景和应用前景，并指出了目前双向直流变换器在应用中遇到的主要问题。1.1双向DC/DC变换器概述所谓双向DC/DC变换器就是在保持输入、输出电压极性不变的情况下，根据具体需要改变电流的方向，实现双象限运行的双向直流/直流变换器。相比于我们所熟悉的单向DC/DC变换器实现了能量的双向传输。实际上，要实现能量的双向传输，也可以通过将两台单向DC/DC变换器反并联连接，由于单向变换器主功率传输通路上一般都需要二极管，因此单个变换器能量的流通方向仍是单向的，且这样的连接方式会使系统体积和重量庞大，效率低下，且成本高。所以，最好的方式就是通过一台变换器来实现能量的双向流动，BDC就是通过将单向开关和二极管改为双向开关，再加上合理的控制来实现能量的双向流动。1.2双向直流变换器的研究背景在20世纪80年代初期，由于人造卫星太阳能电源系统的体积和重量很大，美国学者提出了用双向Buck/Boost直流变换器来代替原有的充、放电器，从而实现汇流条电压的稳定。之后，发表了大量文章对人造卫星应用蓄电池调节器进行了系统的研究，并应用到了实体中。1994年，香港大学陈清泉教授将双向直流变换器应用到了电动车上，同年，F.Caricchi等教授研制成功了用20kW水冷式双向直流变换器应用到电动车驱动，由于双向直流变换器的输入输出电压极性相反，不适合于电动车，所以他提出了一种Buck-Boost级联型双向直流变换器，其输入输出的负端共用。1998年，美国弗吉尼亚大学李泽元教授开始研究双向直流变换器在燃料电池上的配套应用。可见，航天电源和电动车辆的技术更新对双向直流变换器的发展应用具有很大的推动力，而开关直流变换器技术为双向DC/DC变换器的发展奠定了基础。1994年，澳大利亚FelixA.Himmelstoss发表论文，总结出了不隔离双向直流变换器的拓扑结构。他是在单管直流变换器的开关管上反并联二极管，在二极管上反并联开关管，从而构成四种不隔离的双向直流变换器：Buck-Boost、Buck/Boost、Cuk和Sepi-Zeta双向直流变换器。隔离式双向直流变换器有正激、反激、推挽和桥式等拓扑结构。反激式变换器是基于Buck/Boost直流变换器设计的，电路结构对称，相比之下更易于构成双向直流变换器。但普通的反激式变换器容易产生电压尖峰和振荡，2001年陈刚博士提出了有源嵌位双向反激式直流变换器，有效的消除了电压尖峰和振荡，并且实现了开关管的零电流开关，减少了开关器件的电压应力。推挽式变换器也具有对称的电路结构，且结构简单，但存在变压器的偏磁和漏感，从而限制了变换器的应用。所以有学者提出，在输入输出电压相差较大的场合，可以应用由推挽变换器和半桥变换器组成的混合式变换器。桥式直流变换器有两类电路：一种是双有源桥式变换器，电路结构对称，通过控制相位实用标准文案文档角来控制两直流电源间能量传输的方向和大小；另一种是由电压源型桥式直流变换器和电流源型直流变换器构成，且这两种电路都具有软开关特性。1.3双向直流变换器的应用前景双向DC/DC变换器主要应用在：电动汽车、太阳能电池阵、不停电电源（UPS）、分布式电站等方面。1.3.1在电动汽车中的应用近年来，考虑到环境污染和能源安全等方面，电动汽车的研究得到了飞速的发展。电动汽车包括纯电动汽车、混合动力车和燃料电池电动汽车三大类。双向DC/DC变换器是应用到电动汽车的一项重要技术。目前，蓄电池电动汽车技术已经有了较成熟的发展，但由于蓄电池可靠性差且储能小，电动和内燃机驱动相结合的混合车辆的研究已经成为了我国一些企业和科研院所的发展重点。混合电动车由无刷直流发电机、逆变器与驱动用交流电动机和蓄电池与双向直流变换等三部分组成。其工作过程是：启动发动机，蓄电池通过双向直流变换器向无刷直流电机供电，无刷直流电机驱动发动机使其启动，作为电动机运行。发动机正常工作后，传动发电机发出直流电，发电机的电能一方面给电池充电，另一方面给逆变器供电，使交流电动机工作，驱动车辆。电动车加速时，发电机和蓄电池同时向逆变器供电，交流电动机输出功率加大。车辆下坡或制动时，电动机转为再生制动状态，逆变器将电动机能量返回，通过双向直流变换器回到蓄电池。燃料电池具有能量密度高、能量转换效率高等优点，是将化学能转换为电能的装置，它是未来电动车的首选能源。在燃料电池供电的电动车系统中，由蓄电池提供压缩机电机的驱动能量，从而建立燃料电池电压，给其创造了启动条件。正常运行时，压缩机电机的能量由燃料电池来提供，系统中逆变器带动的驱动电机的能量回馈到蓄电池中，同时，燃料电池给蓄电池充电。其原理图如下图所示：燃料电池电压箝位双向DC/DC变换器逆变器交流电机压缩机控制器蓄电池1.3.2在太阳能电池阵系统中的应用实用标准文案文档所有利用太阳能电源的航天器，都需要能量存储系统，该系统和太阳能电池阵组合起来，构成组合供电系统。比较典型的是太阳能-蓄电池供电系统，主要有峰值功率跟踪系统和直接能量传送系统。双向直流变换器起到了集蓄电池充放电为一体的作用，大大减小了体统的体积和重量。1.3.3在不停电电源（UPS）中的应用原理：在不停电电源系统中，有一个充电单元给蓄电池充电，在充电单元异常掉电时，控制器通过检测电压和电流立即做出反应，用蓄电池通过放电单元来提供负载能量，并在一定时间段内保证直流总线电压的恒定，使外界的变化不会影响到对直流负载的连续供电。而这个系统中的充放电单元就可以用双向DC/DC变换器来代替。AC/DC变换器负载双向DC/DC变换器控制器蓄电池在USP中采用双向DC/DC变换器可以起到以下的作用：1、中间变换、升降压，方便选配蓄电池；2、将电池充放电工作隔离开；3、优化充放电过程，提高充放电过程和蓄电池使用寿命；4、允许蓄电池和直流母线相互隔离，保证安全。1.3.4在分布式电站方面的应用【5】分布式发电系统包括多种新型发电单元，许多发电单元输出为直流电源(燃料电池、太阳能等)，同时分布式发电系统内部能量是多路径流动，具备双向功率流动的典型特征，双向DC/DC变换器可以在分布式发电系统发挥重要作用。1.4本章小结本章主要对双向直流变换器的基本概念、应用背景以及发展前景进行了详细的介绍，并针对不同的应用方向进行了系统的描述，指出了目前双向变换器在发展过程中所遇到的主要的难题。第二章双向DC/DC变换器的拓扑结构本章简单介绍了单向DC/DC变换器的基本原理和类型，并根据双向DC/DC变换器按照有无变压器隔离的分类，对各种典型双向DC/DC变换器的电路拓扑做了详细的介绍。实用标准文案文档2.1DC/DC变换器的基本原理与类型2.1.1DC/DC变换器的基本原理DC/DC变换器即是把直流电压变换为另一数值的直流电压，是开关电源技术的一个分支。它是由半导体功率器件作为的开关管、二极管、电感、电容、负载和直流电源构成的，通过使带滤波器的负载电路和直流电压时而接通、时而关断，使得负载上得到另一个直流电压。在所有的DC/DC变换器中，Buck和Boost电路是最基本的。2.1.2DC/DC变换器的类型DC/DC变换器可以由输入输出之间是否有变压器而分为隔离型和非隔离型。非隔离型的主要拓扑有：Buck降压变换器、Boost升压变换器、Buck-Boost升降压变换器、Cuk变换器、Sepic变换器和Zeta变换器。隔离型的的主要拓扑有：正激、反激、推挽、半桥、全桥型变换器。（1）非隔离型变换器VinVoutCQDLVinVoutDCLQVinVoutCQDLVinVoutC2L1C1DQL2下面主要介绍最基本的Buck降压变换器和Boost升压变换器的工作原理。实用标准文案文档BUCK：当开关管导通时，电源通过电感L给电容C充电；当开关管关断时，电感L续流，逐渐降低，电容上的电流由正逐渐降为零，并变成负向。进而开关管再次导通，电感上电流增加。tofftonIoiLminVgsiLiCtttiLmaxtoffVgsiLiCttiLmaxtontBOOST：当开关管导通时，电源向电感储能，电感电流增加，负载由电容供电；当开关管关断时，电感电流减小，电感电势与输入电压叠加，迫使二极管D导通，一起向负载供电，并同时向电容C充电。tofftonIiniLminVgsiLiCtttiLmax实用标准文案文档toffVgsiLiCttiLmaxtont（2）隔离型变换器+-Ui+-UoQCD下面主要介绍反激式变换器的工作原理：它是由电感变压器T、功率晶体管Q、二极管D和滤波电容C组成。晶体管受驱动信号驱动，周期的导通与关断。当开关管导通时，在理想情况下，输入电压全部加在电感变压器初级上，变压器初级感应电势同名端为正，次级同名端也为正，二极管反偏截止，所以电感变压器此时作为电感运行，电源向电感储能，由输出电容向负载供电；当开关管关断时，电感能量不能突变，变压器各线圈感应电势反号，同名端为负，迫使二极管导通，电感能量逐步转为电场能量向负载放电和向电容充电。toffVgstttti1iDuDiDmaxiDmini1maxi1minton2.2双向DC/DC变换器的电路拓扑实用标准文案文档绪论中已经提到，双向DC/DC变换器是在保持输入、输出电压极性不变的情况下，根据需要改变电流方向，通过在开关管上反并联二极管、在二极管上反并联开关管再加上适当的控制来实现能量的双向传输的变换器。它可以根据有无变压器隔离分为隔离型和非隔离型。2.2.1非隔离型双向DC/DC变换器非隔离型双向DC/DC变换器的主要拓扑有：双向Buck-Boost变换器、双向Buck/Boost变换器、双向Cuk变换器和双向Sepic-Zeta变换器。V1V2C2Q1LQ2D1C1+-+-D2V1V2Q1D1D2LQ2C1C2+-+-C1L1Q1D1C3D2Q2L2C2+-V1+-V2+-+-D1Q1LC3D2Q2L2C1C2V1V2下面主要介绍双向Buck-Boost变换器和双向Buck/Boost变换器的拓扑结构。双向Buck-Boost变换器：是由Buck变换器变换而来的，在晶体管Q上反并联二极管D，在二极管D上反并联晶体管Q，该电路便是双向DC/DC变换器。它可以工作于两种模式：降压模式和升压模式。当能量从V1流向V2，Q1工作，Q2不工作，V1为电源端，则该变换器为Buck变换器；当能量从V2流向V1，Q2工作，Q1不工作，V2作为电源端，则该变换器为Boost变换器。实用标准文案文档若两侧都有电源，则能量流动方式取决于两电源电压大小和占空比的大小，两端的电压极性相同，V1V2。双向Buck/Boost变换器：与单向Buck/Boost变换器拓扑不同的是，在原开关管处反并联二极管，在原二极管处反并联开关管，Q1和Q2互补方式导通，两者间应设定死去时间，以避免同时导通，其与Buck-Boost不同的是：V1和V2电压是反极性的，且其大小任意。2.2.2隔离型双向DC/DC变换器隔离型双向DC/DC变换器是在非隔离型的基础上发展起来的，相对要复杂得多，对于变压器，稳态时实现磁化和去磁伏秒面积相等是保证其正常工作防止铁芯磁饱和的关键【9】。一般隔离型双向DC/DC变换器常应用在电压传输比大、功率高、需要电气隔离的场合。隔离型双向DC/DC变换器的主要拓扑有：双向反激式、双向正激式、双向推挽式、双向半桥式和双向全桥式。其主要区别为【15】：(l)双向反激式：结构简单，成本低，适合于小功率应用。(2)双向正激式：是在单管正激式的电路上再串接一个三极管而组成的，对于高压大功率的开关电源来说更加安全可靠。(3)双向推挽式：传输功率比双反激拓扑大，结构也比较简单。但因变压器漏感引起大的开关电压尖峰，开关管工作条件恶劣，适合中低压应用场合。(4)双向半桥式：半桥式DC/DC变换电路适用于输入电压比较高的场合，与推挽式变换器相比较，它的输入变压器没有中心抽头，加工比较简单。但是对支撑电容的