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双向DC-DC变换器的研究

张方华  
【摘要】:双向 DC-DC 变换器(Bi-directional DC-DC Converter,BDC)是直流变换器的双象限运行,可实现能量的双向传输,在功能上相当于两个单向直流变换器,是典型的“一机两用”设备。在需要双向能量流动的场合可大幅度减轻系统的体积重量及成本,有重要研究价值。本文以三种类型的 BDC 为主线对相关问题进行了研究。 (一) 推挽正激移相式双向 DC-DC 变换器 首先分析了推挽正激变换器的工作原理,给出了其环流电流表达式,确定了箝位电容的取值依据。然后分析了推挽正激整流电路的工作原理,揭示出其输出电感电流纹波小、可以实现开关管 ZVS 开关的优点。为减小开关损耗,提出了一种谐振网络中谐振电容充电回路和放电回路分离的 ZCT 实现策略,减小了导通损耗和原有 ZCT策略存在的开关管附加电流应力。研究了输入输出电压变比和移相角对移相式 BDC环流能量的影响,指出移相式 BDC 方案不适于宽调压范围应用。最后把推挽正激电路应用在移相式 BDC 场合,它具有开关管有效箝位、响应速度快等优点。 (二) 级联式双向 DC-DC 变换器 级联式 BDC 是一种新型 BDC 结构。首先以 Buck/Boost BDC 电路构建试验平台,研究了 BDC 的控制模型,指出单电压闭环的 PID 调节器可实现 BDC 系统稳定。然后研究了直流变压器的工作特性,它具有易于实现 ZVS 开关、频带宽、功率密度高等优点。在此基础上,采用具有调压功能的 Buck/Boost BDC 和具有隔离变压功能的直流变压器级联,构成了级联式 BDC。级联式 BDC 具有:两部分可分别优化设计、功率密度高、适于大变比变换的应用等优点。最后扩展了直流变压器的概念,提出了三种形式的 AC-AC 变压器,研究了控制方案,并进行了仿真和试验验证。该变压器的优点是:可对各种形状的低频电压进行比例变换、实现全部功率开关的 ZVS 开关、变换效率和功率密度高、宽频带、适用于各种负载性质等。 (三) 正反激组合式双向 DC-DC 变换器 正反激组合式 BDC 是一种新颖的 BDC 构成方案。正激和反激组合式 BDC 的一侧绕组串联,另一侧并联。这种结构的 BDC 拓扑解决了 Buck/Boost 隔离型 BDC 拓扑存在的开关管电压尖峰问题。正激和反激组合式 BDC 中的耦合电感和正激变压器一起向副边传递功率,克服了反激式 BDC 单纯采用耦合电感传递能量的缺点和移相式 BDC 采用变压器漏电感传递能量的缺点。以有源箝位正反激组合式 BDC 为例,分析了其工作原理,着重研究了正反激组合式 BDC 存在的开关时序、软开关实现、功率分配等问题,推导了稳态工作基本关系。仿真分析和样机试验证明了正反激组合式BDC 理论分析的正确性。最后给出了一族正反激组合式 BDC 拓扑。


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