隔离式双向全桥DC_DC变换器的功率控制特性比较与分析_武琳
- 格式：pdf
- 大小：1.15 MB
- 文档页数：9
文档推荐
-
基于软开关技术的DCDC功率变换器的设计页数:9
-
三相功率变换器页数:11
-
多电平变换器的拓扑结构和控制策略页数:5
-
风电并网变换器直接功率控制策略页数:3
-
风电并网变换器直接功率控制策略页数:3
下载文档原格式
合集下载
双向全桥DC—DC变换器高效能控制研究与实现
双向全桥DC—DC变换器高效能控制研究与实现摘要：本文分析了双向全桥DC-DC变换器在双变换控制下的输电特性。
在变压器匝数比不为1的情况下，建立变流器的通用低频小信号模型。
仿真结果表明，双相控制具有较小的功率损耗。
最后建立了实验样机，实验结果证实了该控制方法的高效性和可行性，拓宽了变压比的选择范围，具有一定的工程应用价值。
关键词：全桥DC-DC变换器；高效能；控制研究；双向双向全桥DC-DC转换器可以实现DC-DC转换器的二象限运行。
因此，它在功能上等同于两个单向DC-DC转换器，因此可以降低系统的体积，质量和成本。
目前，双向全桥DC-DC变换器主要采用相移控制方式。
相移控制包括传统的相移控制和双相移控制。
采用传统移相控制方式的双全桥直流- 直流变换器，所有带软开关的功率开关管都具有这种特点，然而，在传统相移控制方式下，功率变换器的循环和开关管电流应力较大，不利于转换器效率。
因此，提出了一种双相移控制方法，理论和实验验证了该控制方法能够减小循环电力变压器的功率和开关管电流应力，提高了变换器效率。
建立转换器的小信号等效模型。
然而，小信号模型是在输出电压等于输入电压和变压比为1的前提下建立的。
因此，本文将在转换器控制下进行动态建模的一般情况下为双相移，以提高转换器模型的通用性，适应更多的应用具有一定的工程应用价值。
1双重移相控制工作原理图1是双向全桥DC-DC转换器的典型电路拓扑结构。
在图中：U1和U2是全桥转换器的两个直流侧电压；Ls与串联电感和变压器泄漏相结合。
变压器比率是n；S1?S4是H桥1的功率开关管和H桥的功率开关管2，C1和C2是输入和输出滤波电容。
H桥1和H桥2的工作频率与fs相同；逆变桥H1的输出Uh1和逆变器H2为Uh2；通过控制逆变器的输出电压Uh1和Uh2之间的相位角，可以控制电感Ls的电压，并且可以控制转换器功率的流向和大小。
下面的分析以U1到U2侧的功率为例，这是Uh1到Uh2的阶段。
隔离式双向DCDC变换器的研究
2019年第4期135研究与探讨信息技术与信息化隔离式双向DC/DC 变换器的研究梁承权* 吕德深 黄世玲 朱浩亮 李光平LIANG Cheng-quan LV De-shen HUANG Shi-ling ZHU Hao-liang LI Guang-ping摘 要 本文对隔离式双向DC/DC 变换器拓扑结构进行对比，选择电压等级和功率等级较高的全桥双有源桥变换器作为研究对象。
对全桥双有源桥变换器基本原理进行详细的分析，绘制出变换器稳态工作时关键节点电压和电流的波形。
分析表明，全桥双有源桥变换器不仅易于实现开关管的零电压开关，能量能够双向传输，控制方法简单。
关键词 拓扑结构；全桥双有源桥变换器；零电压开关doi：10.3969/j.issn.1672-9528.2019.04.043* 南宁学院机电与质量技术工程学院 广西南宁 530200[基金项目] 2019年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（2019KY0933）1引言随着生产力与经济的快速发展，化石燃料等传统能源的消耗有增无减。
为了响应节能减排的号召，对于新能源，如光伏以及风电的开发受到了越来越多的重视。
然而光伏以及风电等新能源在能量供应的持续性以及稳定性上有所不足，于是需要采用电力电子变换装置来实现电压或电流的稳定输出[1]。
隔离式双向DC/DC 变换器特点在于可以实现功率的双向流动，并且能够保证输入侧与输出侧的电气隔离[2]。
因此，隔离式双向DC/DC 变换器在新能源电动汽车、光伏发电、不间断电源系统、风电以及直流功率放大器等场合得到了广泛的应用。
2 隔离双向DC/DC 变换器拓扑结构介绍双有源桥式双向DC/DC 变换器（DAB）是近几年研究较多的一种隔离式双向DC/DC 变换器，这种双向DC/DC 变换器由两个桥式变换单元、电感器、电容器和高频隔离变压器等构成。
常见的半桥式双有源桥变换器如下图1所示。
图1 半桥双有源桥变换器电路结构原边和副边的桥式网络均为两个开关管构成的半桥组成，均压电容C1和C2保证原边电压为方波。
双有源全桥双向DC-DC变换器及其控制策略
双有源全桥双向 DC-DC变换器及其控制策略摘要：随着社会进步以及科技不断发展，DC-DC变换器逐渐发展，其中双有源全桥DC-DC变换器以其优良的性能得到广大学者的青睐。
双有源全桥双向DC-DC变换器的应用范围越来越广泛，且为适应不同应用场景的要求，对控制策略的要求也越来越高。
近年来双有源全桥双向DC-DC变换器的控制策略日趋成熟，本文将对双有源全桥双向DC-DC变换器的具体应用场合及其控制策略作简要的介绍，并简单比较各种控制策略的优劣势。
关键词：DC-DC 变换器、移相控制、电动汽车、新能源DC-DC变换器在电源变换器领域占有重要的地位，随着社会进步科技发展，人们对于DC-DC变换器的要求越来越高。
相比于其他的DC-DC变换器，双有源全桥双向DC-DC变换器能很容易的实现电能的双向流动，能满足输入输出之间的隔离要求，同时具有很高的对称性；在传输功率较高的情况下，电压电流应力相比而言也较低，并且能较容易地实现电压电流软开关。
面临现有工程问题，双有源全桥DC-DC变换器以其优良的性能被广泛应用在中高功率的场景下，双有源全桥双向DC-DC变换器逐渐成为DC-DC变换器的一个研究热门。
1.双有源全桥双向DC-DC变换器的应用场景（1）新能源发电近年来，化石能源被逐渐消耗，现有的化石能源存量日趋紧张；同时化石能源产生的污染严重，极大的影响环境，如何改变现有的化石能源占重要地位的能源结构成为亟待解决的现实问题。
在研究过程中，学者们提出了使用风能、太阳能、地热能、潮汐能等替代现有的化石能源，这些能源的利用往往采用分布式发电，并且通常将其通过直流微网导入电网。
在分布式发电与直流微电网的能量传输过程中，双有源全桥DC-DC变换器起到了重要作用。
（2）电力电子变换器电力电子变换器是双有源全桥双向DC-DC变换器的另外重要一个使用场景。
电力电子变换器可以实现交流电压的改变，同时还能兼具变频的作用，通常可分为三级，分别为DC_AC输出单元、DC-DC中间单元、AC-DC输入单元，其中的DC_DC中间单元通常采用双有源全桥双向DC-DC变换器。
一种基于GaN器件大功率双向DCDC变换器
第44卷第1期电子器件Vol. 44 No. 1Feb. 20212021年2月Chinese Journal of ElccLmn DevicesA High-Power Bidirectional DC/DC Converter Based on GaN Devices "LIU Xiaoyue 卒，BAI Shangwei ，CHEN Rui(College of Electrical Engineering , North China University of Science and Technology , Tangshan Hebei 063200, China)Abstract ：This paper introduces a new high-power bidirecLional isolaLed DC/DC converLer. The DC/DC converLeruses power switching devices based on gallium nitride ( GaN ). The topology of 10 kW GaN high-power DC/DCconverLer is optimized , parameterized and analyzed , and its effectiveness is verified by simulation. It consists of two single-phase full bridge circuits , two input and output inductors and a high frequency transformer. The high-frequency transformer plays a vital role in realizing the galvanic isolation between the two full-bridge converters. The MATLABsimulation software is used to model the 10 kW converLer. MATLAB simulation results verify that the performance of the converter is suitable for high power applications and can achieve zero voltage turn-on ( ZVS ) and zero currentturn-off ( ZCS ) under light load conditions. And a 7 kW experimental prototype designed verify the effectiveness of thedesigned topology.Key words : bidirectional DC/DC converter ； soft switching ； high power ； electrical isolation ； GaN deviceEEACC ：1290B ；2560P doi ：10 ・3969/j ・issn ・ 1005-9490・2021 ・01・009一种基于GaN 器件大功率双向DC/DC 变换器*刘晓悦"，白尚维，陈瑞(华北理工大学电气工程学院，河北唐山063000)摘 要：本文介绍了一种新的高功率双向隔离式DC/DC 变换器。
一种全功率范围零电压开通的电流型双向隔离DC-DC变换器
Keywords：Wide input voltage range, current-fed bidirectional isolated DC-DC converter, phase shift plus PWM control, zero-voltage switching
中国博士后科学基金（2014M550582），国家自然科学基金（51677162）和河北省自然科学基金（E2015203407、QN20131041）资助项目。 收稿日期 2016-09-19 改稿日期 2017-02-22
关键词：宽输入电压范围 电流型双向隔离 DC-DC 变换器 移相+PWM 控制 零电压开通 中图分类号：TM46
A Novel Current-Fed Bidirectional Isolated DC-DC Converter with Full-Operating-Range ZVS
Sun Xiaofeng1 Wu Xiaoying1 Shen Yanfeng1 Cui Mingyong1 Li Xin1,2 （1. Key Lab of Power Electronics for Energy Conservation and Motor Drive of Hebei Province
第 33 卷第 10 期
孙孝峰等 一种全功率范围零电压开通的电流型双向隔离 DC-DC 变换器
2283
0 引言
近年来风能、太阳能、燃料电池等可再生能源 在供电系统[1]、混合动力汽车[2-4]等方面得到了广泛 应用。太阳能、风能等易受气候、季节、地理环境 等因素的影响，输出功率产生波动[5,6]，因此需要储 能单元来保证供电的质量与可靠性。
储能单元的输出电压范围宽且对输入电流纹波 要 求 高 [7] ， 因 此 应 用 在 储 能 系 统 中 的 双 向 隔 离 DC-DC 变换器应满足上述要求。双向隔离 DC-DC 变换器分为电压型[8,9]和电流型[10-19]。电流型双向隔 离 DC-DC 变换器的输入端有电感滤波，使得输入 电流纹波比电压型双向隔离 DC-DC 变换器的输入 电流纹波小[10,11]，延长了储能单元的使用寿命[12]。 此外，电流型双向隔离 DC-DC 变换器中 Boost 电感 的存在使变换器具有高电压增益[13]，输入电压范围 得以拓宽。因此电流型双向隔离 DC-DC 变换器更 适用于储能系统。然而，电流型双向隔离 DC-DC 变换器存在无法实现全功率范围软开关和由变压器 漏感造成的低压侧开关管的高电压尖峰问题[14]，因 此限制了电流型双向隔离 DC-DC 变换器在储能系 统中的应用。
中国博士后科学基金（2014M550582），国家自然科学基金（51677162）和河北省自然科学基金（E2015203407、QN20131041）资助项目。 收稿日期 2016-09-19 改稿日期 2017-02-22
关键词：宽输入电压范围 电流型双向隔离 DC-DC 变换器 移相+PWM 控制 零电压开通 中图分类号：TM46
A Novel Current-Fed Bidirectional Isolated DC-DC Converter with Full-Operating-Range ZVS
Sun Xiaofeng1 Wu Xiaoying1 Shen Yanfeng1 Cui Mingyong1 Li Xin1,2 （1. Key Lab of Power Electronics for Energy Conservation and Motor Drive of Hebei Province
第 33 卷第 10 期
孙孝峰等 一种全功率范围零电压开通的电流型双向隔离 DC-DC 变换器
2283
0 引言
近年来风能、太阳能、燃料电池等可再生能源 在供电系统[1]、混合动力汽车[2-4]等方面得到了广泛 应用。太阳能、风能等易受气候、季节、地理环境 等因素的影响，输出功率产生波动[5,6]，因此需要储 能单元来保证供电的质量与可靠性。
储能单元的输出电压范围宽且对输入电流纹波 要 求 高 [7] ， 因 此 应 用 在 储 能 系 统 中 的 双 向 隔 离 DC-DC 变换器应满足上述要求。双向隔离 DC-DC 变换器分为电压型[8,9]和电流型[10-19]。电流型双向隔 离 DC-DC 变换器的输入端有电感滤波，使得输入 电流纹波比电压型双向隔离 DC-DC 变换器的输入 电流纹波小[10,11]，延长了储能单元的使用寿命[12]。 此外，电流型双向隔离 DC-DC 变换器中 Boost 电感 的存在使变换器具有高电压增益[13]，输入电压范围 得以拓宽。因此电流型双向隔离 DC-DC 变换器更 适用于储能系统。然而，电流型双向隔离 DC-DC 变换器存在无法实现全功率范围软开关和由变压器 漏感造成的低压侧开关管的高电压尖峰问题[14]，因 此限制了电流型双向隔离 DC-DC 变换器在储能系 统中的应用。
双向全桥DC-DC变换器中大容量高频变压器绕组与磁心损耗计算
双向全桥DC-DC变换器中大容量高频变压器绕组与磁心损耗计算陈彬;李琳;赵志斌【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2017(032)022【摘要】精确预估非正弦波激励下高频变压器绕组与磁心损耗、研究不同模态下变压器损耗的变化趋势,对于电力电子变压器(PET)精细化设计至关重要.在对 PET 中间级——隔离式双向全桥 DC-DC 变换器工作原理进行分析的基础上,建立变换器的近似等效电路模型,得到一种适用于隔离式双向全桥 DC-DC 变换器中高频变压器绕组损耗计算方法.在计算方波、梯形波电压激励下的磁心损耗时,推导出修正的 Steinmetz 经验公式简化解析计算式,引入仅与占空比和上升时间有关的修正系数,据此可直接利用正弦波激励下的损耗系数,快速获取典型工作模态下磁心损耗.设计制作一台1.2kV/0.3kV/5kV·A 非晶合金磁心高频变压器试验模型,将所提方法的计算结果与有限元仿真和试验测量结果对比,验证了所提方法的有效性.【总页数】11页(P123-133)【作者】陈彬;李琳;赵志斌【作者单位】新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京 102206;新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京 102206;新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京 102206【正文语种】中文【中图分类】TM433【相关文献】1.隔离型双向升压全桥DC-DC变换器效率的提高 [J], 孙飞;刘通2.基于输入串联输出并联的双向全桥串联谐振DC-DC变换器系统控制策略研究[J], 杨博;葛琼璇;赵鲁;周志达3.基于扩展移相的双向全桥DC-DC变换器虚拟惯性控制策略 [J], 赵龙;赵兴勇;赵钰彬;唐震4.双向全桥DC-DC变换器回流功率与软开关双重优化策略研究 [J], 闫其路;李梅;徐宏斌5.双向全桥DC-DC变换器优化策略的仿真分析 [J], 张丽霞;王洋;杜银景;康伟;康忠健因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
双向隔离型DC-DC变换器的双移相优化控制
双向隔离型DC-DC变换器的双移相优化控制王毅;许恺;陈骥群【摘要】The bidirectional isolation DC-DC converter adopts dual-phase-shifting control strategy,which will narrow the range of "soft-switching" and lower the efficiency of the system.To solve this problem,an optimal control algorithm is proposed.The control algorithm suppresses the backflow power of the system and extends the soft-switching range of the switch tube.Considering this constraint,the optimal operating point of the system was then selected.The hardware circuit was built and the control strategy was verified.It was found that at the optimal operating point,the backflow power of the system is only 1％ of the active power and the system efficiency is the highest.Experimental results show that the optimized control algorithm can be used to coordinate the range of "soft-switching" and the requirement of backflow power of the switch,so that the system can meet the requirement of "soft-switching" of the bridge arm power tube and obtain smaller backflow power.%针对双向隔离型DC-DC变换器采用双移相控制策略时会减小开关管实现"软开关"的范围,使系统效率降低的问题,提出了一种优化控制算法.该控制算法以抑制系统回流功率和扩大开关管软开关范围为约束条件,优选出系统的最优运行点.搭建了硬件电路,对所提控制策略进行验证,可知系统在该最优运行点下,回流功率仅为传输有功功率的1％,同时系统效率也达到了最高.实验结果表明,采用所提的优化控制算法能够协调系统对开关管"软开关"的范围和回流功率的要求,使系统在满足桥臂功率管"软开关"条件的同时,得到更小的回流功率.【期刊名称】《电机与控制学报》【年(卷),期】2017(021)008【总页数】10页(P53-61,71)【关键词】双向DC-DC全桥;双移相;回流功率;软开关;优化控制【作者】王毅;许恺;陈骥群【作者单位】华北电力大学(保定)新能源电力系统国家重点实验室,河北保定071003;河北省电力公司保定供电局,河北保定 071051;河北省电力公司保定供电局,河北保定 071051【正文语种】中文【中图分类】TM417使用电力电子变压器取代传统工频变压器为机车牵引系统供电，对其小型化和轻量化有重要意义，因而成为牵引传动系统向高速、大功率方向的发展的新热点[1-6]。
一种多谐振隔离双向DCDC变换器
2019 年 4 月 第 34 卷第 8 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
DOI: 10.19595/ki.1000-6753.tces.L80168
Vol.34 No. 8 Apr. 2019
一种多谐振隔离双向 DC-DC 变换器
王 萍 1 陈 博 1 王议锋 1 张书槐 2 杨 良 3
（1. 天津大学智能电网教育部重点实验室 天津 300072 2. 北京动力源科技股份有限公司 北京 100070
3. 国家电网公司国家电力调度控制中心 北京 100031）
摘要 提出一种新型 CDT-LC 多谐振软开关双向直流变换器。基于传统 LLC 谐振拓扑，通过 引入辅助变压器构建新的谐振结构，不仅保留了软开关高效运行的优点，同时收获了更好的电压 增益特性，实现在较宽电压增益范围仍具有较高的工作效率。此外，对拓扑的工作模态以及增益 特性进行详细分析，为变换器工作模式设计提供理论依据。在此基础上，计算分析变换器损耗的 损耗分布并采用合理的优化方法提高效率。最后，建立 2.5kW 样机进行实验，验证了变换器的性 能与理论分析的正确性，其最高效率可达 97%。
Keywords：DC-DC converter, soft-switching, voltage gain, loss analysis
0 引言
目前，全球面临的能源危机和环境问题越来越 严重。为了缓解这些问题，新能源发电与分布式储
收稿日期 2018-06-27 改稿日期 2018-12-12
能发电技术受到重点关注[1-2]。其中，谐振软开关直 流变换器凭借其高效、低电磁干扰（Electromagnetic Interference, EMI）等特征，被广泛应用于电动汽车 充放电、新能源发电、分布式家庭储能系统等需要 双向功率传递的领域[3-6]。
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
DOI: 10.19595/ki.1000-6753.tces.L80168
Vol.34 No. 8 Apr. 2019
一种多谐振隔离双向 DC-DC 变换器
王 萍 1 陈 博 1 王议锋 1 张书槐 2 杨 良 3
（1. 天津大学智能电网教育部重点实验室 天津 300072 2. 北京动力源科技股份有限公司 北京 100070
3. 国家电网公司国家电力调度控制中心 北京 100031）
摘要 提出一种新型 CDT-LC 多谐振软开关双向直流变换器。基于传统 LLC 谐振拓扑，通过 引入辅助变压器构建新的谐振结构，不仅保留了软开关高效运行的优点，同时收获了更好的电压 增益特性，实现在较宽电压增益范围仍具有较高的工作效率。此外，对拓扑的工作模态以及增益 特性进行详细分析，为变换器工作模式设计提供理论依据。在此基础上，计算分析变换器损耗的 损耗分布并采用合理的优化方法提高效率。最后，建立 2.5kW 样机进行实验，验证了变换器的性 能与理论分析的正确性，其最高效率可达 97%。
Keywords：DC-DC converter, soft-switching, voltage gain, loss analysis
0 引言
目前，全球面临的能源危机和环境问题越来越 严重。为了缓解这些问题，新能源发电与分布式储
收稿日期 2018-06-27 改稿日期 2018-12-12
能发电技术受到重点关注[1-2]。其中，谐振软开关直 流变换器凭借其高效、低电磁干扰（Electromagnetic Interference, EMI）等特征，被广泛应用于电动汽车 充放电、新能源发电、分布式家庭储能系统等需要 双向功率传递的领域[3-6]。
双向全桥DC-DC变换器的回流功率特性分析
文献［6-9］提出了一种双重移相（dual phase shifting，DPS）控制方式并对回流功率特性进行 了分析，该方法通过同时调节两侧 H 桥的外移相
基金项目：国家高技术研究发展计划项目（863 计划）（2015AA050104） 作者简介：张国荣（1963-），男，博士，教授，Email：zhanggrcao@
（School of Electrical Engineering and Automation，Hefei University of Technology，Hefei 230009，Anhui，China）
Abstract: An phase-shifting control method with asymmetric duty ratio was proposed. The proposed control method could extend the transmission power adjustment range and reduce the reflow power of bidirectional full-bridge DC-DC converter. The working principle of the traditional single phase shift control and the proposed control method was analyzed，and the modal analysis of the proposed control method was carried out and the steady state mathematical model was established. The reflow power under both the traditional single phase-shifting control mode and the proposed control mode were compared and analyzed. The reflow power and current stress under the proposed control mode were relatively smaller and the transmission power adjustment range was expanded. Finally，the simulation results show that the asymmetric duty ratio phase shift control method can reduce the return power of bidirectional full-bridge DC-DC converter.
基金项目：国家高技术研究发展计划项目（863 计划）（2015AA050104） 作者简介：张国荣（1963-），男，博士，教授，Email：zhanggrcao@
（School of Electrical Engineering and Automation，Hefei University of Technology，Hefei 230009，Anhui，China）
Abstract: An phase-shifting control method with asymmetric duty ratio was proposed. The proposed control method could extend the transmission power adjustment range and reduce the reflow power of bidirectional full-bridge DC-DC converter. The working principle of the traditional single phase shift control and the proposed control method was analyzed，and the modal analysis of the proposed control method was carried out and the steady state mathematical model was established. The reflow power under both the traditional single phase-shifting control mode and the proposed control mode were compared and analyzed. The reflow power and current stress under the proposed control mode were relatively smaller and the transmission power adjustment range was expanded. Finally，the simulation results show that the asymmetric duty ratio phase shift control method can reduce the return power of bidirectional full-bridge DC-DC converter.
基于双重移相控制的双有源桥DC-DC变换器的软开关
基于双重移相控制的双有源桥DC-DC变换器的软开关王聪;沙广林;王俊;庄园;程红【摘要】通过分析双重移相控制下双有源桥DC-DC变换器的工作模式与各桥臂IGBT实现软开关的约束条件,得出了满足软开关条件的高频变压器漏感参数设计方法与死区时间限制条件;根据变换器稳态运行各阶段电路状态数学模型的分析,实现了通过对电路参数的优化设计降低变换器开关损耗,从而提高双有源桥直流变换器的效率.最后,根据理论推导结果设计变压器漏感并试验,试验结果表明所提出的设计方法对增加软开关实现范围和提高变换器效率的有效性.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2015(030)012【总页数】8页(P106-113)【关键词】双有源桥直流变换器;双重移相控制;软开关;死区时间;效率【作者】王聪;沙广林;王俊;庄园;程红【作者单位】中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院电气工程系北京 100083;中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院电气工程系北京 100083;中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院电气工程系北京 100083;中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院电气工程系北京 100083;中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院电气工程系北京 100083【正文语种】中文【中图分类】TM46近年来，高频隔离双向多电平变换器作为中高压电网接口装置替代传统的线性工频变压器，成为电力电子学科的研究重点。
究其原因，是其在构建下一代中压功率变换系统[1]、UNIFLEX[2]项目、FREEDM[3]系统等研究中所体现出的巨大潜力。
文献[1-3]讨论了一种典型的高频隔离双向多电平变换器结构，这种变换器由两侧的级联多电平整流/逆变级，中高频隔离双向直流变换器的三级结构组成。
双向隔离DC-DC变换器作为此种多电平变换器的功率传输级，提供电气隔离的同时，对提高高频隔离双向多电平变换器的功率密度起到极其关键的作用[1]。
众多双向隔离DC-DC变换器结构中，双有源桥DC-DC变换器因其高功率密度、零电压开关、双向能量传输、模块化、双向对称结构与简单的控制实现而备受关注[4-6]。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
cd _ f
Po
8nU o U i sin nU o sin π
2
1 R s Lr s Cr
2
2
（ 8）
为变压器二次侧归算到一次侧后的等效阻抗。 2.2 DC-DC 变换器输出功率的推导 定义 ω r 、 ω s 为谐振角频率和开关角频率， fr 、 fs 分别为谐振频率和开关频率， n 为变压器匝数比。 u ab 和 u cd 的基波，即 u ab_f 和 u cd_f 表达为
Comparison and Analysis of Power Control Characteristic for Isolated Bidirectional Full-Bridge DC-DC Converter
Wu Lin 1 Liu Zhigang 1 Hong Xiang 2 （ 1. Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China 2. Key Laboratory of Power Electronics and Power Drives Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China ） Abstract
[7-9]
它是由两个 H 桥、 隔离变压器、 串联谐振单元构成。 谐振电感 L r 以变压器等效后的漏感代替。 U i 和 U o 为输入侧和输出侧直流电压的分量， u ab 和 u cd 为相 位差为 φ，占空比均为 50%的两组方波电压。
图1 Fig.1
带 LC 谐振的双向全桥 DC-DC 变换器 LC resonant bidirectional full bridge DC-DC converter
100044 北京 100190）
2. 电力电子与电气驱动重点实验室 (中国科学院电工研究所 ) 摘要
针对非谐振和谐振式带隔离的双向全桥 DC-DC 变换器的不同特点，推导了这两种
DC-DC 变换器功率传输的统一表达式，该功率表达式可以统一描述这两种不同拓扑的功率传输特 性。针对隔离式双向全桥 DC-DC 变换器的开关器件在高频工况下的强迫开通 /关断方式，带来较 大的开关损耗，造成变换器效率下降的问题，本文以一种带隔离的 LC 谐振式 DC-DC 变换器为研 究对象，提出了一种移相控制的 DC-DC 变换器控制策略，在该策略下， DC-DC 变换器的功率器 件能够实现零电压开通，并且通过谐振减小了功率器件的关断损耗，从而提高了系统的效率。仿 真和实验结果验证了文中所提出控制策略的有效性。 关键词： 双向全桥 DC-DC 变换器 中图分类号： TM464 串联谐振 软开关 基波分析法 电压增益
。 谐振式的全桥 DC-DC 变换器，
忽 略 变 压 器 励 磁 电 感 ， 由 基 波 分 析 法 [13] ， DC-DC 变换器的近似等效电路如图 2 所示， 其相量 如图 3 所示。
通过谐振的方式，使得流过高频变压器的电流为准 正弦波形，这种准正弦电流和非谐振式 DC-DC 变 换器的方波 /三角形电流相比，一方面使得电流谐波 更小，减少了高频变压器的涡流损耗，另一方面使 得流过开关器件电流不为零时对器件强迫关断模式 下关断损耗更小。文献 [9]对 DC-DC 变换器采用非 谐振和 LC 谐振两种拓扑下的控制特点进行了比较， 并给出了不同的变压器的损耗对系统效率的影响。 文献 [10-12]提出了串联谐振式 DC-DC 变换器的拓 扑，并给出控制方法。文献 [11] 所提出的控制方法 缺陷在于：软开关的实现条件受到负载约束，当负 载变化较大时，软开关的条件不能被满足，带来变 换器效率下降。文献 [12]提出了功率传递的表达式， 但没有综合考虑到开关频率大于或小于谐振频率时 的情况，需要进一步修正。 本文的主要工作有两方面： （ 1 ）推导了谐振式和非谐振式 DC-DC 变换器
国家自然科学基金重点基金资助项目（ U1134204 ）。 收稿日期 2013-01-08 改稿日期 2013-08-15
180
电 工 技 术 学 报
2013 年 10 月
1
引言
隔离双向全桥 DC-DC 转换器， 亦称为双有源桥
功率传输的统一表达式。通过该功率表达式，可以 认为非谐振式 DC-DC 变换器是谐振式 DC-DC 变换 器的一个特例。该表达式有助于对 DC-DC 变换器 的建模和功率传输特性的分析。 （ 2 ）以 LC 串联谐振式带隔离的全桥 DC-DC 变换器为研究对象，对非谐振和谐振式 DC-DC 变 换器的控制特性做了比较和分析，并提出了一种基 于移相控制的谐振式 DC-DC 变换器的软开关控制 策略。
（ 5）
电容短路，电路的谐振特性不在存在，即成为图 4 的非谐振式的 DC-DC 变换器拓扑。可以认为，非 谐振式 DC-DC 变换器为其谐振式拓扑的一种特例， 该非谐振电路中，电感 L 可以用高频隔离变压器的 漏感替代，电阻 R 为线路阻抗。
则
′ Ir U ab_f U cd_f
（ dual active bridge, DAB） ，该隔离 DC-DC 变换器 的优点是：①高频变压器一方面通过电气隔离使系 统获得更高的可靠性，另一方面取代了传统的工频 变压器，降低了系统的尺寸和重量，提高了功率密 度；②一二次侧 H 桥的功率开关器件可实现软开关 控制，降低了开关损耗。这种变换器被广泛应用于 电力电子变压器 ，新能源发电
2013 年 10 月 第 28 卷第 10 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.28 Oct.
No. 10 2013
隔离式双向全桥 DC-DC 变换器的 功率控制特性比较与分析
武 琳
1
刘志刚
1
洪
北京
祥
2
（ 1. 北京交通大学电气工程学院
LRC 谐振电路中， R、 L r、 Cr 三者的阻抗为
1 Z R j(s Lr )= Z (90 ) （ 4 ） s C r
1 Z R 2 s Lr s Cr
2
3
非谐振式的 DC-DC 变换器控制方法及 其存在的问题
当图 1 中的谐振电容 Cr 取无限大时， 视为谐振
图2 Fig.2
LC 谐振的 DC-DC 变换器的近似等效电路 Approximate equivalent circuit of LC resonant DC-DC converter
图3 Fig.3
DC-DC 变换器近似等效电路的相量图 Phasor diagram of the approximate equivalent circuit of DC-DC converter
Po 8nU o U i sin nU o sin π 2 R 2 r Lr
2
（ 2）
F F 1
2
（ 9）
在对应的等效电路中
4 u′ (t ) U ′ cos(s t ) cb_f π o
式（ 9 ）即为非谐振和谐振状态下 DC-DC 变换 （ 3） 器功率传输的统一表达式。由式（ 9）可以看出：电 路参数已确定时， 相位角 φ 和输出电压 U o 决定了转 换器传递功率的大小。
For the different characteristics of non-resonant and resonant isolated bidirectional full
bridge DC-DC converter, a unified expression of power transmissions is derived from the two DC-DC converters. The power transfer characteristics could be unified described through the power expression. The problem of isolated bidirectional DC-DC converter is that the switching loss increases and the converter efficiency declines with the forced turn-on or turn-off of switch devices in high frequency situation. In this paper, to solve this problem, an isolated LC series resonant transformer full bridge DC-DC converter is taken as research object, a phase-shift control strategy which could realize zero voltage turn-on and decrease the turn-off current of the power devices to decrease switching loss and increase the efficiency is proposed. The validity of proposed control strategy is verified through simulation and experiment results. Keywords：Bidirectional full bridge DC-DC converter, series resonant, soft-switching technology, first harmonic analysis, voltage gain
Po
8nU o U i sin nU o sin π
2
1 R s Lr s Cr
2
2
（ 8）
为变压器二次侧归算到一次侧后的等效阻抗。 2.2 DC-DC 变换器输出功率的推导 定义 ω r 、 ω s 为谐振角频率和开关角频率， fr 、 fs 分别为谐振频率和开关频率， n 为变压器匝数比。 u ab 和 u cd 的基波，即 u ab_f 和 u cd_f 表达为
Comparison and Analysis of Power Control Characteristic for Isolated Bidirectional Full-Bridge DC-DC Converter
Wu Lin 1 Liu Zhigang 1 Hong Xiang 2 （ 1. Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China 2. Key Laboratory of Power Electronics and Power Drives Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China ） Abstract
[7-9]
它是由两个 H 桥、 隔离变压器、 串联谐振单元构成。 谐振电感 L r 以变压器等效后的漏感代替。 U i 和 U o 为输入侧和输出侧直流电压的分量， u ab 和 u cd 为相 位差为 φ，占空比均为 50%的两组方波电压。
图1 Fig.1
带 LC 谐振的双向全桥 DC-DC 变换器 LC resonant bidirectional full bridge DC-DC converter
100044 北京 100190）
2. 电力电子与电气驱动重点实验室 (中国科学院电工研究所 ) 摘要
针对非谐振和谐振式带隔离的双向全桥 DC-DC 变换器的不同特点，推导了这两种
DC-DC 变换器功率传输的统一表达式，该功率表达式可以统一描述这两种不同拓扑的功率传输特 性。针对隔离式双向全桥 DC-DC 变换器的开关器件在高频工况下的强迫开通 /关断方式，带来较 大的开关损耗，造成变换器效率下降的问题，本文以一种带隔离的 LC 谐振式 DC-DC 变换器为研 究对象，提出了一种移相控制的 DC-DC 变换器控制策略，在该策略下， DC-DC 变换器的功率器 件能够实现零电压开通，并且通过谐振减小了功率器件的关断损耗，从而提高了系统的效率。仿 真和实验结果验证了文中所提出控制策略的有效性。 关键词： 双向全桥 DC-DC 变换器 中图分类号： TM464 串联谐振 软开关 基波分析法 电压增益
。 谐振式的全桥 DC-DC 变换器，
忽 略 变 压 器 励 磁 电 感 ， 由 基 波 分 析 法 [13] ， DC-DC 变换器的近似等效电路如图 2 所示， 其相量 如图 3 所示。
通过谐振的方式，使得流过高频变压器的电流为准 正弦波形，这种准正弦电流和非谐振式 DC-DC 变 换器的方波 /三角形电流相比，一方面使得电流谐波 更小，减少了高频变压器的涡流损耗，另一方面使 得流过开关器件电流不为零时对器件强迫关断模式 下关断损耗更小。文献 [9]对 DC-DC 变换器采用非 谐振和 LC 谐振两种拓扑下的控制特点进行了比较， 并给出了不同的变压器的损耗对系统效率的影响。 文献 [10-12]提出了串联谐振式 DC-DC 变换器的拓 扑，并给出控制方法。文献 [11] 所提出的控制方法 缺陷在于：软开关的实现条件受到负载约束，当负 载变化较大时，软开关的条件不能被满足，带来变 换器效率下降。文献 [12]提出了功率传递的表达式， 但没有综合考虑到开关频率大于或小于谐振频率时 的情况，需要进一步修正。 本文的主要工作有两方面： （ 1 ）推导了谐振式和非谐振式 DC-DC 变换器
国家自然科学基金重点基金资助项目（ U1134204 ）。 收稿日期 2013-01-08 改稿日期 2013-08-15
180
电 工 技 术 学 报
2013 年 10 月
1
引言
隔离双向全桥 DC-DC 转换器， 亦称为双有源桥
功率传输的统一表达式。通过该功率表达式，可以 认为非谐振式 DC-DC 变换器是谐振式 DC-DC 变换 器的一个特例。该表达式有助于对 DC-DC 变换器 的建模和功率传输特性的分析。 （ 2 ）以 LC 串联谐振式带隔离的全桥 DC-DC 变换器为研究对象，对非谐振和谐振式 DC-DC 变 换器的控制特性做了比较和分析，并提出了一种基 于移相控制的谐振式 DC-DC 变换器的软开关控制 策略。
（ 5）
电容短路，电路的谐振特性不在存在，即成为图 4 的非谐振式的 DC-DC 变换器拓扑。可以认为，非 谐振式 DC-DC 变换器为其谐振式拓扑的一种特例， 该非谐振电路中，电感 L 可以用高频隔离变压器的 漏感替代，电阻 R 为线路阻抗。
则
′ Ir U ab_f U cd_f
（ dual active bridge, DAB） ，该隔离 DC-DC 变换器 的优点是：①高频变压器一方面通过电气隔离使系 统获得更高的可靠性，另一方面取代了传统的工频 变压器，降低了系统的尺寸和重量，提高了功率密 度；②一二次侧 H 桥的功率开关器件可实现软开关 控制，降低了开关损耗。这种变换器被广泛应用于 电力电子变压器 ，新能源发电
2013 年 10 月 第 28 卷第 10 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.28 Oct.
No. 10 2013
隔离式双向全桥 DC-DC 变换器的 功率控制特性比较与分析
武 琳
1
刘志刚
1
洪
北京
祥
2
（ 1. 北京交通大学电气工程学院
LRC 谐振电路中， R、 L r、 Cr 三者的阻抗为
1 Z R j(s Lr )= Z (90 ) （ 4 ） s C r
1 Z R 2 s Lr s Cr
2
3
非谐振式的 DC-DC 变换器控制方法及 其存在的问题
当图 1 中的谐振电容 Cr 取无限大时， 视为谐振
图2 Fig.2
LC 谐振的 DC-DC 变换器的近似等效电路 Approximate equivalent circuit of LC resonant DC-DC converter
图3 Fig.3
DC-DC 变换器近似等效电路的相量图 Phasor diagram of the approximate equivalent circuit of DC-DC converter
Po 8nU o U i sin nU o sin π 2 R 2 r Lr
2
（ 2）
F F 1
2
（ 9）
在对应的等效电路中
4 u′ (t ) U ′ cos(s t ) cb_f π o
式（ 9 ）即为非谐振和谐振状态下 DC-DC 变换 （ 3） 器功率传输的统一表达式。由式（ 9）可以看出：电 路参数已确定时， 相位角 φ 和输出电压 U o 决定了转 换器传递功率的大小。
For the different characteristics of non-resonant and resonant isolated bidirectional full
bridge DC-DC converter, a unified expression of power transmissions is derived from the two DC-DC converters. The power transfer characteristics could be unified described through the power expression. The problem of isolated bidirectional DC-DC converter is that the switching loss increases and the converter efficiency declines with the forced turn-on or turn-off of switch devices in high frequency situation. In this paper, to solve this problem, an isolated LC series resonant transformer full bridge DC-DC converter is taken as research object, a phase-shift control strategy which could realize zero voltage turn-on and decrease the turn-off current of the power devices to decrease switching loss and increase the efficiency is proposed. The validity of proposed control strategy is verified through simulation and experiment results. Keywords：Bidirectional full bridge DC-DC converter, series resonant, soft-switching technology, first harmonic analysis, voltage gain