双向DC-DC变换器电路拓扑的分析与评价

归纳了双向DC-DC变换器的应用场合，说明在飞机高压直流电源系统中，双向DC-DC变换器除了充/放电器和应急电源的作用，还有HVDC母线电压过冲吸收和起动/发电系统变换器两个重要作用。以开关电源基本拓扑为主线，对双向DC-DC变换器作了分类。从双向DC-DC变换器的工作原理出发，除了已有文献提到的双向DC-DC变换器拓扑之外，推挽正激和正反激电路都是适用于隔离型Buck/Boost 双向DC-DC变换器和隔离型Buck/Buck 双向DC-DC变换器的拓扑；Sepic/Zeta也可用于双向变换。通过分析两种常用结构Buck/Boost和Buck/Buck的工作原理，说明了研究双向DC-DC变换器要研究的几个关键问题：⑴合理控制和设计实现软开关；⑵综合考虑输入输出滤波器，使滤波器和功率级阻抗匹配；⑶开关调节系统的校正和综合问题；⑷对隔离型Buck/Boost BDC，要研究自启动问题和电流型侧开关管尖峰问题；⑸对隔离型Buck/Buck双向DC-DC变换器，要研究移相控制方案下的主变压器绕制工艺问题。     

基于变频与副边移相控制的双向LLC谐振变换器

研究了一种在谐振腔并联电感的双向LLC谐振变换器,采用变频与副边移相的混合控制策略,在降压模式时采用变频控制,在升压模式时采用副边移相控制,实现变换器的宽电压增益范围与全负载范围内ZVS,提高变换器的效率.分析了变换器在混合控制策略下的工作原理与软开关特性,最后通过实验验证了变频与副边移相控制的有效性.     

基于三半桥拓扑的双向DC/DC变换器软开关条件研究

为了实现三半桥双向DC/DC变换器的零电压导通和关断,进一步提高变换器的性能,本文探讨了三半桥拓扑双向DC/DC变换器的软开关条件。通过理论分析和仿真验证,研究了影响三半桥双向DC/DC变换器的软开关条件的因素。结果表明,三半桥双向DC-DC变换器的软开关条件与其控制变量有关。     

一种提高双向DC-DC变换器轻载效率的变频控制策略

针对双向DC-DC变换器轻载时效率较低的问题,提出了一种变频控制策略。以基于耦合电感的四相交错双向DC-DC变换器为主电路,详细分析了变频控制策略的基本原理以及实现方式,以DSP TMS320F28035为控制核心搭建了一台12.5 kW的实验样机。实验结果表明,与定频控制相比,变频控制策略能明显减小轻载时变换器的电感电流纹波,从而减小损耗,提高变换器在轻载时的效率。     

基于LLC谐振的新型软开关双向DC-DC变换器

为了进一步提升户用储能系统中电池端双向DC-DC变换器的功率密度和效率,提出一种基于LLC谐振的新型软开关双向DC-DC变换器。该变换器有效降低了变压器匝比,提高了转化效率,在非对称半桥拓扑下可实现双向LLC特性,变换器中所有开关管均能实现软开关。同时该变换器结构简单,并可应用同步整流技术,具有效率高、成本低等优势。描述了所提变换器软开关的实现过程,进而分析了谐振特性和相关参数以及软开关的实现条件。最后制作了一台高压侧350～400 V、低压侧45～50 V的500 V·A实验样机,验证了所提变换器的有效性和实用性。     

基于扩展移相控制的高频DAB变换器ZVS控制方法

双有源桥（Dual active bridge,DAB）在需要高效能量双向流动的工作场景有广泛的应用。在高开关频率工作时,变换器开关器件结电容充放电时间无法忽略,导致扩展移相控制下DAB零电压开通（zero voltage switching,ZVS）范围断续。通过分析扩展移相控制下双有源桥DC-DC变换器工作模态,建立高开关频率工况下DAB变换器数学模型,提出一种利用磁化电流扩宽ZVS范围的方法。在此基础上,结合电感电流应力优化算法,提出一种适用于高频工况应用的电流应力优化下的软开关控制策略。采用该控制策略,可以有效减小导通损耗,消除开关损耗,显著提升高开关频率下的变换器效率。最后,搭建400KHz实验样机,验证控制策略有效性。     

新型电动汽车双向隔离型DC-DC变换器控制策略

双向隔离型DC-DC变换器在超级电容储能供电的电动汽车上应用广泛,为了实现变换器中所有开关管零电压开关(ZVS)过程,提高双向隔离型变换器效率,提出了一种新型双向有源桥式变换器控制策略。在桥式变换器中增加并联谐振电感,利用占空比补偿的方法对驱动信号进行补偿,对谐振腔的电流值进行设计求解,选取合适的谐振电感值,对谐振过程中桥式结构一次侧和二次侧电压的相位差进行控制,通过脉宽调制(PWM)处理器综合调制后控制双向隔离型变换器。保证了能量双向流动的同时,实现了双向隔离型DC-DC变换器中所有开关管ZVS过程。试验测试表明,所提出的新型控制策略能够有效提高双向隔离型DC-DC变换器的效率。     

新能源发电系统用多相耦合交错型双向DC-DC变换器及控制研究

本文重点研究新能源发电系统用双向DC-DC变换器及其控制策略,提出一种多相耦合交错型磁集成Buck-Boost变换器应用于新能源发电系统中储能系统能量双向传递。首先对多相磁集成双向DC-DC变换器进行耦合电感研究,分析两相耦合Buck变换器等效电感并给出电感耦合设计准则;针对电感耦合交错型变换器的多开关状态、高阶化及电感电容复杂扰动的特点提出一种平均值电路法建立其小信号模型,并推导出状态变量到控制变量的传递函数;根据变换器开环稳态特性,进行补偿网络设计,提出基于趋近律的自适应电流控制策略并设计基于电流环补偿控制器。最后通过仿真和实验表明,本文提出的控制方法较传统PI控制可同时改善系统稳态及暂态性能。     

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

针对传统电流型双向变换器存在的低压侧开关高电压尖峰和硬开关现象,提出一种可在全功率范围内实现实际零电压开通(ZVS)的电流型双向隔离DC-DC变换器。该变换器的一次侧Boost半桥能有效抑制开关管的高电压尖峰;二次侧为两个有源半桥并联,通过调整二次侧桥内移相角可改变实现ZVS的反向电流的大小。该变换器通过采用混合移相+脉宽调制(PWM)控制,可使所有开关管在全功率范围内实现实际ZVS。首先,介绍变换器的工作原理;然后,详细分析变换器的功率传输特性和软开关特性;最后,搭建一台30~60V输入、400V/2.5A的实验样机,验证了所提变换器及其控制策略的优势。     

改进单周期控制策略的双向大变比DC-DC开关变换器

大变压比的双向DC-DC变换器广泛地应用于电池的充放电系统、电动汽车、不间断电源、启动/发电系统、光伏发电系统和航空电源系统等场合,其重要性能指标是效率、质量和成本。但是传统非隔离型双向DC-DC变换器在高频下难以取得较大变压比,同时会导致较大的电压电流应力和较大的损耗。为实现非隔离型双向DC-DC变换器的大变比应用,将耦合电感引入非隔离双向DC-DC变换器,实现输入输出电压大变比和效率提升;针对新型双向大变比直流变换器升降压Buck/Boost电路,提出一种改进单周期控制模型,该模型基于所提电路不同工作模式下的有效占空比并结合输出反馈补偿控制,实现有效控制和提高负载的动态响应能力。分析具有耦合电感双向DC-DC开关变换器的工作原理和控制特性,并通过计算机仿真和样机实验验证了所提电路和控制策略具有更高的转换效率、更强的鲁棒性和优良的抗扰动能力。     

数字控制级联式双向DC-DC变换器的研究

本文对由Buck/Boost双向变换器与双向半桥直流变换器构成的级联式双向DC-DC变换器的原理进行了分析,并研究了一种适用于Boost变换器的无源软开关电路。在数字控制的硬件平台之上,提出一端稳压和一端稳流的控制策略,可实现能量双向流动的自由转换。最后给出了实验波形.从而对理论分析进行了验证。     

双Buck/Boost集成双有源桥三端口DC-DC变换器

在传统的双有源桥变换器的基础上集成两个双向Buck/Boost电路,提出了一种双Buck/Boost集成双有源桥三端口DC-DC变换器,该变换器实现了桥臂开关管的复用,提高了功率密度。以光伏-蓄电池混合发电系统为例对该变换器拓扑进行分析,采用移相+PWM进行控制,通过控制移相角实现输入与输出端口间功率传输,通过调节占空比来匹配输入端口电压等级,以实现光伏端口的最大功率点跟踪和平衡蓄电池端口的能量传递。分析了该变换器的工作原理、稳态与软开关特性,该变换器较大程度地改善了传统移相控制下DAB在移相角较小时的软开关条件,使得在宽工作范围内能够实现所有功率开关管的软开关。最后建立300W实验样机进行方案验证。     

一种隔离型双向DC-DC变换器拓扑与工作模式分析

本文提出了一种新型的隔离型双向DC-DC变换器拓扑，具有简单对称的电路形式。高频变压器将变换器输入侧和输出侧之间隔离，变换器的每一侧由一个半桥电路与一个电感构成，它可以看成一个同时具有半桥特点和升压或降压变换器特点的混合电路。该变换器拓扑可有多种运行方式，本文对电路工作原理进行了简要介绍。对PWM控制和移相控制两种工作模式进行了阐述，并对移相控制下的软开关特点进行了分析。研制了实验样机，并进行了实验研究。实验结果证实了理论分析的正确性。     

四相交错并联双向DC-DC变换器中耦合电感的设计准则

深入研究了四相Buck+Boost交错并联双向DC-DC磁集成变换器运行在Buck模式下的稳态电流纹波和暂态电流响应速度,同时研究了耦合电感的非对称性对变换器性能的影响,通过分析磁集成变换器的占空比和电感耦合系数对稳态电流纹波和暂态电流响应速度的影响,总结出四相Buck+Boost交错并联双向DC-DC非对称磁集成变换器运行在Buck模式下的设计准则,即在设计这种非对称变换器时,利用给出的设计公式和设计区域选择相关参数。最后,通过实验验证了理论分析的正确性。     

双向全桥直流变换器的软开关实现与硬件参数优化

重点介绍了双向全桥直流变换器中高频隔离变压器的漏感与串联辅助电感的参数优化设计。直流变换器作为高频隔离双向多电平变换器的中间级,控制变换器能量的双向流动。通过详细分析传统移相控制下双向全桥直流变换器运行过程以及超前桥与滞后桥分别实现软开关条件,得出满足软开关条件的电感参数与死区设置时间。通过具有三级结构的级联多电平变换器的实验平台,验证了电感参数优化保证软开关实现的有效性,同时提高了直流变换器的效率。     

宽范围输入三电平半桥LLC变换器混合控制

针对传统变频(PFM)控制的LLC谐振变换器在宽电压输入条件下效率低的问题,提出一种三电平半桥LLC谐振变换器的变频-移相(PFM-PS)混合控制策略。首先,分析三电平半桥LLC谐振变换器的工作模态,建立其等效模型,获得了移相控制和变频控制下的电压增益曲线。其次,分析了变频控制的工作区间与软开关特性,推导得到了移相控制下实现软开关的最小占空比。通过混合控制策略,在升压时采用变频控制和在降压时采用移相控制,相较于全变频控制和全移相控制,混合控制可在较小频率变化范围内对电压进行升降压,在全增益范围内实现软开关,获得较宽的电压增益范围,提升了变换器的效率。最后,通过仿真和输入500～800 V/4.5 kW实验样机验证了所提出混合控制策略的有效性。     

具有宽范围输出电压的三电平半桥LLC谐振变换器控制策略

由于三电平变换器的开关管电压应力仅为输入电压的一半,在大功率DC-DC电源、电动汽车充电等应用领域得到广泛的关注和研究。为了实现宽范围输出电压调节控制,克服三电平半桥LLC谐振变换器采用变频调制时电压调节范围小的缺点,将移相调制策略引入三电平半桥LLC谐振变换器控制,分析了其工作过程、电压调节范围及软开关条件,导出了实现软开关的工作状态分界点,由此提出一种三电平半桥LLC谐振变换器移相和变频相结合的混合式调制策略。该策略根据软开关工作状态,切换移相调制和变频调制,以实现全程软开关和宽范围输出电压控制。实验验证了理论分析结果的正确性以及所提调制策略的可行性和有效性。     

并串联交错式三端口半桥变换器

利用半桥变换器原边电路寄生的双向Buck/Boost电路,将两路半桥变换器原边并联、变压器副边绕组串联并共用输出整流滤波支路,提出一种新型并串联交错式三端口半桥变换器拓扑。通过调节变换器原边桥臂开关管的占空比,实现原边输入源和蓄电池电压/功率的调节;通过原边两桥臂的移相控制,实现副边负载侧功率控制,并使得所有开关管都具备软开关的能力。详细分析变换器的工作原理,给出设计要点。通过实验验证所提出拓扑和理论分析的正确性。     

基于高频交流升降压原理的双有源桥双向变换器

为实现更优化的器件电流应力、更广范围内实现软开关,针对双有源桥双向变换器,该文提出一种基于高频交流升降压的统一多变量控制策略。提出一种多变量求解的方法,并给出相应的计算流程和相关的控制框图。给出变压器变比和电感值的设计方法,并分析器件的电流应力。从器件电流应力、对控制变量潜力的挖掘程度和软开关范围3个方面,比较基于高频交流升降压控制策略与双移相控制策略控制下的双有源桥双向变换器的性能。实验结果验证了所提控制方法优良。     

交错并联磁耦合双向DC-DC变换器非对称耦合电感的研究

对三通道Buck+Boost交错并联双向DC-DC磁耦合变换器运行在Buck模式下的稳态电流纹波和暂态电流响应速度进行了深入研究,同时研究了耦合电感的不对称性对变换器性能的影响,分析了磁耦合变换器的占空比、电感耦合系数对稳态通道电流纹波、暂态总输出电流响应速度的影响,进而总结出三通道Buck+Boost交错并联双向DC-DC磁耦合变换器运行在Buck模式下的设计准则,即在设计这种变换器时,利用本文所给出的设计公式和设计区域设计相关参数。最后通过仿真和实验验证了理论分析的正确性。