江 飛 鞠志忠 朱忠尼 王恒利

（1.空軍雷達(dá)學(xué)院研究生管理大隊(duì)，武漢 430019；2.空軍雷達(dá)學(xué)院電子對抗系，武漢 430019）

1 引言

近年來，大功率機(jī)電制動/發(fā)電能量循環(huán)利用項(xiàng)目成為節(jié)能、減排的重要內(nèi)容之一。隨著這些項(xiàng)目的研究，雙向DC/DC變換器成為電力電子技術(shù)的重要組成部分。而儲能裝置是雙向DC/DC變換器的一個重要部件，目前應(yīng)用較多的是電池和超級電容，但是它們的單體耐壓較低，為了將它們應(yīng)用于大功率場合進(jìn)行儲能，就必須設(shè)計(jì)一種增益較高的雙向DC/DC變換器。

本文提出了一種新型的交錯并聯(lián)雙向 DC/DC變換器，該變換器利用一個耦合電感作為雙向磁性開關(guān)來控制變換器能量的儲存和釋放，提高了增益；耦合電感的電流轉(zhuǎn)換速率由于受漏感的限制，可以抑制二極管反向恢復(fù)電流，同時(shí)該電路實(shí)現(xiàn)了開關(guān)器件的軟開關(guān)，提高了效率[1]。

2 主電路拓?fù)?/h2>

圖1 主電路拓?fù)?/p>

變換器采用了交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)，交錯并聯(lián)DC/DC變換器有以下優(yōu)點(diǎn)[2-3]：①減小了電壓和電流的脈動，提高了變換器的效率，減小了濾波器的體積，從而減小了整個裝置的體積；②提高了占空比，在保持輸出電壓平均值不變的情況下，占空比越大，輸出電壓峰值越小，功率器件的電壓應(yīng)力也越小，可采用耐壓小的功率器件；③提高了開關(guān)頻率，相應(yīng)就可以減少鐵芯體積。

變換器同時(shí)采用了耦合電感，在升壓和降壓公式中就多了一個匝比變量N，適當(dāng)?shù)倪x擇耦合電感的匝比就可以降低占空比，從而避免了傳統(tǒng)變換器占空比不宜太大的限制。

3 主電路仿真

本文利用Matlab建立了仿真模型，通過合理選擇參數(shù)，對主電路進(jìn)行了仿真，來驗(yàn)證該雙向 DC/DC變換器的合理性。

3.1 仿真模型的建立

根據(jù)雙向 DC/DC變換器的電路拓?fù)錁?gòu)建了仿真模型，變換器在Buck狀態(tài)下仿真模型如圖2所示，其中低壓側(cè)用耗能電阻代替。而在Boost狀態(tài)下的仿真模型與Buck狀態(tài)下的基本一致，可參考圖2，惟一的區(qū)別就是仿真模型中高壓側(cè)用耗能電阻代替。

從整體上講，圖2的模型主要分為四個部分，即功率主電路部分、驅(qū)動信號產(chǎn)生部分、反饋控制部分、并聯(lián)開關(guān)管部分。本文的驅(qū)動信號產(chǎn)生電路、反饋控制電路和并聯(lián)開關(guān)管部分為子系統(tǒng),這樣通過將復(fù)雜系統(tǒng)用一個個子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，就能夠使整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得非常清晰。

圖2 變換器工作在Buck狀態(tài)下仿真模型

3.2 控制信號產(chǎn)生部分

圖3 控制信號組合邏輯圖

驅(qū)動信號產(chǎn)生模塊主要功能是將系統(tǒng)的反饋值和給定三角波進(jìn)行比較產(chǎn)生驅(qū)動三組開關(guān)管（S2x、 S3x、 S4x，x=1，2，3，4）的脈沖信號。為了避免變換器直通，PWM 驅(qū)動信號間通過 Dead Zone模塊加入一段死區(qū)時(shí)間，死區(qū)加入后產(chǎn)生交錯脈沖序列的實(shí)現(xiàn)邏輯如上圖4所示。

圖4 驅(qū)動信號產(chǎn)生電路

3.3 反饋控制部分

反饋控制采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，雙閉環(huán)的主要思想是：電壓反饋環(huán)作為外環(huán)，電流反饋環(huán)作為內(nèi)環(huán)，對輸出電壓送第一級運(yùn)算放大器的反相端與正相端的電壓基準(zhǔn)比較，輸出的誤差送第二級運(yùn)算放大器正相端作為電流基準(zhǔn)，和反相端的輸出電流轉(zhuǎn)化成電壓形式的采樣信號比較，最后的輸出送比較器與三角波進(jìn)行比較，得到占空比變化的方波從而控制變換器?？刂瓶驁D如圖5所示，在Boost狀態(tài)是電壓電流雙環(huán)控制，在 Buck狀態(tài)時(shí)，由于高壓側(cè)電壓本身就是不斷變化的，沒必要進(jìn)行恒壓控制，所以只有電流環(huán)起作用，系統(tǒng)為電流單環(huán)控制，對低

壓側(cè)進(jìn)行恒流充電。

圖5 雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

4 仿真結(jié)果分析

由于存在非線性元件，為了提高仿真的精度和速度，所以在仿真參數(shù)設(shè)置中采用變步長(variable step)連續(xù)求解器，仿真算法為Ode23s[Stiff/stiff Mod. Rosenbrock]，相對誤差為1e-3。

4.1 Buck狀態(tài)下的仿真波形

仿真參數(shù)：高壓側(cè)輸入電壓：470V，低壓側(cè)輸出電壓：94V，單個開關(guān)管的工作頻率fS=2kHz，死區(qū)時(shí)間為 4μs，高壓側(cè)濾波電容CH= 1mF，低壓側(cè)濾波電容CB= 6.6mF，箝位電容C1= 22μF，中間電容C2= 10μF，低壓側(cè)濾波電感LB= 500μH，輔助電感L1= 7μH、L2=6mH，耦合電感的匝比為1:1:1，耦合電感LP=L0=LS= 640μH，耦合系數(shù)：k1=k0=k2=0.95耦合電感阻抗為0.064Ω。Buck狀態(tài)下的仿真波形如圖6～10所示。

圖6 各開關(guān)管的驅(qū)動波形

圖7 高壓側(cè)VH、iH波形、低壓側(cè)VL、iL 波形

圖8 S21 驅(qū)動、電壓及電流波形

圖9 S 31 驅(qū)動、電壓及電流波形

圖10 S41驅(qū)動及初級電感、次級電感電流波形

圖6為各開關(guān)管的驅(qū)動波形。圖7為高壓側(cè)和低壓側(cè)波形，變換器高壓側(cè)輸入電壓VH、電流iH及低壓側(cè)輸出電壓VL、電流iL波形，可以看出VLVH= 0.2，圖8～9給出了 S21、 S31的驅(qū)動、電壓及電流波形， S21、 S31實(shí)現(xiàn)了零電壓開通，開通損耗明顯降低， S31在關(guān)斷時(shí)存在電壓尖峰。通過波形圖可以看出， S21、 S31的電流和電壓紋波都比較小，符合理論推導(dǎo)；并且在每個開關(guān)周期內(nèi)，開關(guān)管的電壓經(jīng)過了4個周期，也就是說開關(guān)管的頻率是不采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)時(shí)的4倍，開關(guān)頻率提高了，就能夠減小了鐵芯的體積。圖 10為通過初級電感LP和次級電感LS的電流波形，可以看出初級電感的電壓是次級電感電壓的2倍。

4.2 Boost狀態(tài)的仿真波形

5 結(jié)論

本文分析了一種交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器，并用MATLAB軟件電路進(jìn)行了仿真，其結(jié)果與實(shí)際分析所得結(jié)論一致?？梢钥闯鲎儞Q器的電壓增益比較高，變換器電流和電壓紋波都明顯減少。

圖11 低壓側(cè) V L， i L 波形9、高壓側(cè) V H ， i H 波形

圖12 S11驅(qū)動、電壓及電流波形

圖13 S31驅(qū)動、電壓及電流波形

圖14 S11驅(qū)動及初級電感、次級電感電流波形

[1] Rong-Jong Wai and Rou-Yong Duan. High-Efficiency Bidirectional Converter for Power Sources With Great Voltage Diversity. IEEE Transactions on Power Electronics, vol.22, no.5, September 2007.

[2] 許化民,龔春英,嚴(yán)仰光. 交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)的雙正激式DC/DC變換器[J]. 電力電子技術(shù),1999(8).

[3] 楊正龍.3KVA交錯并聯(lián)雙管正激變換器的研究與開發(fā).南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文[D].2002,2.