1、南京郵電大學 畢 業 設 計（論 文）題 目用于電動汽車的雙向 DC-DC 變換器研究與仿真專 業學生姓名班級學號指導教師指導單位 日期： 年 月 日至 年 月 日畢業設計（論文）原創性聲明本人鄭重聲明：所提交的畢業設計（論文） ，是本人在導師指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的內容外，本畢業設計（論文）不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫過的作品成果。對本研究做出過重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明并表示了謝意。 論文作者簽名： 日期： 年 月 日摘 要隨著能源、環保等問題的日益突出，電動汽車成為近年來發展迅速的一種新型汽車，是 21 世紀最具有發展前途的綠

2、色清潔汽車。電動汽車是用電池替代傳統的汽油作為車載能源的，然而在現有的技術條件下，動力電池的性能是電動汽車發展的主要瓶頸。雙向 DC-DC 變換器可以優化電動機控制、提高電動汽車整體的效率和性能。針對雙向 DC-DC 變換器存在的開關損耗高等問題，本文研究了一種隔離型雙向軟開關 DC-DC 變換器。在介紹變換器工作原理的基礎上，本文著重分析了電壓、電流的變化規律，特別是推導出各開關元件實現軟開關的條件及其數學表達式，并得到了實現軟開關的通用條件。最后通過 Saber 軟件對電路在兩種模式下的穩態工況和軟開關特性進行仿真研究，仿真結果證明根據該通用條件設計的變換器能夠在大負載范圍內實現軟開關。關

3、鍵詞：雙向 DC-DC 變換器；PWM 控制；移相控制；軟開關ABSTRACTElectric Vehicle(EV) becomes a kind of new, fast-developing vehicle in the last years, which has the best future as a green vehicle, as the problems of energy and environment are becoming more and more serious in the 21st century. The energy in EV is provided b

4、y storage batteries instead of traditional gasoline and the development of EV are limited by the capacity of its storage batteries with current technologies. It can improve the performance of the storage batteries and the working efficiency of driving systems by using bidirectional DC/DC converter i

5、n Electric Vehicle at present.A soft switching bi-directional DC/DC converter was developed to reduce switching losses. Operation principle of the proposed converter is introduced. The soft switching principle is also introduced briefly. On the basis of the operational analysis, the characteristic o

6、f the voltage and current is illustrated and the ZVS conditions of the different switches are also given in detail. What is more, the formula of the universal ZVS condition for all the switches is specially deduced to simplify the four ZVS conditions into one formula for the convenience of the desig

7、n. And the steady state conditions and soft switching characteristic of the circuit in those two operating mode，are demonstrated by the Saber, experimental results obtained from the converter are shown to verify the validity of the universal ZVS condition.Key words: Bi-Directional DC/DC converter; P

8、WM control; Phase-shift control; Soft switching 目 錄第一章 緒論.11.1 課題背景和意義 .11.2 雙向 DC-DC 變換器概述.21.2.1 雙向 DC-DC 變換器的原理 .21.2.2 雙向 DC-DC 變換器的拓撲結構 .31.2.3 雙向 DC-DC 變換器的控制方式 .51.3 雙向 DC-DC 變換器在電動汽車上的應用.61.4 論文的主要研究內容和結構 .9第二章 雙半橋雙向 DC-DC 變換器工作原理與結構分析.112.1 電動汽車雙向 DC-DC 變換器.112.1.1 燃料電池電動汽車能量管理系統 .112.1.2 蓄

9、電池燃料電池電動汽車動力系統工作模式分析 .122.2 雙半橋雙向 DC-DC 拓撲結構的選擇與分析.122.2.1 主功率拓撲的選擇 .122.2.2 控制方案選擇 .132.2.3 拓撲電路的分析 .132.3 變換器等效電路 .142.4 變換器換流分析 .162.4.1 正向工作模式 .162.4.2 反向工作模式 .182.5 正向/反向模式下的軟開關條件 .192.6 本章小結 .19第三章 雙半橋雙向 DC-DC 變換器穩態特性分析與設計.203.1 雙向變換器輸出特性分析 .203.2 變換器設計 .223.2.1 變壓器漏感選擇.223.2.2 開關管應力分析.233.2.3

10、 輸入電感設計.243.3 本章小結 .24第四章 仿真驗證.25結束語.28致 謝.29參考文獻.30南京郵電大學 2012 屆本科生畢業設計（論文）0第一章緒論1.1課題背景和意義當今世界，環境和能源問題成為世界各國關心的熱點問題。隨著環境污染和能源危機的日益嚴重，世界各國采取了提高能源利用率、改善能源結構、探索新能源、發展可再生能源等措施，以實現能源的可持續發展與和諧發展1。2006 年開始實施的可再生能源法 ，把能源作為國家發展戰略的重點，將可再生能源發電提高到戰略高度，并通過國家立法，為其發展和應用提供支持和保障。全國政協副主席、科技部部長萬鋼在 2009 中國汽車產業發展國際論壇上

11、說，電動汽車作為新一輪經濟增長突破口和實現交通能源轉型的根本途徑，已經成為世界各主要國家和汽車制造廠商的共同的戰略選擇。在各國政府的大力推動下，世界汽車產業進入了全面的交通能源轉型時期，越來越多的企業已經自覺把發展新能源汽車、節能環保汽車、電動汽車作為今后發展的目標，共識正在形成，轉型已經起步。我國在“十五”將混合動力電動汽車作為重點攻關項目，明確了我國的電動汽車發展重點：燃料電池汽車發展居首位，第二為混合動力電動汽車，兼顧純電動汽車的基本原則。明確提出“三橫三縱”的研發布局。在能源枯竭、環境惡化的大背景下，這些“利好”消息無不透露出電動汽車的春天信息。 “以電代油”的電動汽車也因此站在了全球

12、汽車產業競技的制高點2。可以預見，電動汽車產業鏈將以生產電動汽車的整車廠商為核心，向上下游延伸，受益方包括整車及能量轉換和管理的 DC-DC 變換設備。目前電動汽車電能動力系統動態性能差、不支持能量的雙向流動（不能吸收汽車制動過程中產生的電能）的特點使得其作為動力源完全獨立的為車輛行駛提供動力還不完善。因此多能源匹配構成動力系統成為目前可行的方案。然而，各種輔助能量裝置的電氣特性往往有很大差異，如何使這種由各種能量裝置構成的混合動力系統能夠穩定的、可靠的、高效的工作，成為提高電動汽車動力性能的關鍵問題3。雙向 DC-DC 變換器是電動汽車（包括燃料電池電動汽車、混合動力電動汽車、純電動汽車等）

13、系統的動力系統重要部件，是構成能量雙向流動實現能量有效管理和改善動力性能等不可缺少的關鍵環節。目前各種電動汽車所使用的大功率 DC-DC 變換器存在著自身的功率損耗較大，能量轉換效率較低等問題。而且大部分方案往往沒有考慮燃料電池等電源較軟的輸出特性。設計出符合燃料電池等輸出特性的大功率 DC-DC 變換器，不但可以改善燃料電池的輸出特性，而且還可以更加有效的保護燃料電池，延長燃料電池的壽命4。南京郵電大學 2012 屆本科生畢業設計（論文）1本文結合 PWM 移相控制策略，設計雙端口雙半橋拓撲的小功率雙向 DC-DC變換器。有效地選取和調節變換器的各個參數，不僅關系到燃料電池和整車系統的正常運

14、行， 而且也關系到整個燃料電池轎車的動力性能、能源利用效率及其他控制系統的穩定可靠運行。研究高效隔離式雙向 DC-DC 變換器對于燃料電池電動汽車的開發研制具有十分重要的理論意義和工程應用價值。1.2雙向 DC-DC 變換器概述DC-DC 變換器將輸入的直流電壓，經過高頻斬波或高頻逆變后，通過整流和濾波環節，轉換成所期望幅值的直流電壓。它在新能源利用、家用電器、工業控制、通信、國防、交通等領域都有廣泛的應用。2.1.1 雙向 DC-DC 變換器的原理雙向 DC-DC 變換器是指在保持變換器兩端的直流電壓極性不變的情況下，能夠根據需要調節能量傳遞方向，實現電能雙向流動的直流變換器5。如圖 1-1

15、所示是雙向 DC-DC 變換器結構圖。雙向DC-DC變換器120,0II120,0II1I2I1V2V圖 1-1 雙向 DC-DC 變換器結構雙向 DC-DC 變換器置于電源和之間，控制其間的能量傳遞。和分1V2V1I2I別是和的平均輸入電流。根據實際需要，可以通過雙向 DC-DC 變換器的控1V2V制器控制功率流向：使能量從傳輸到，稱為正向工作模式，此時為負，1V2V1I為正；使能量從傳輸到，稱為反向工作模式，此時為正，為負。2I2V1V1I2I雙向 DC-DC 變換器實現了能量的雙向傳輸，在功能上相當于兩個單向 DC-DC 變換器。在需要雙向能量流動的應用場合可以大幅度減輕系統的體積重量及

16、成本，現已被廣泛應用于 UPS 系統、航天電源系統、電動汽車驅動及蓄電池充放電維護等場合6。一般來說，雙向 DC-DC 變換器可分為隔離式和非隔離式 2 種，南京郵電大學 2012 屆本科生畢業設計（論文）2其中隔離式的雙向 DC-DC 變換器應用較多，電路拓撲有多種變化形式，前人在這一領域也做了不少研究工作。2.1.2 雙向 DC-DC 變換器的拓撲結構同傳統單向直流變換器一樣，雙向直流變換器分為隔離型和非隔離型兩大類。下面分別列出了四種典型的非隔離型雙向 DC-DC 變換器及其他幾種改進的雙向DC-DC 變換器拓撲結構。如圖 1-2 所示是四種典型的非隔離型電路拓撲結構，分別是雙向 Buc

17、k/Boost變換器、雙向半橋變換器、雙向 Cuk 變換器以及雙向 SEPIC 變換器，相對于隔離的變換器拓撲而言，其電路比較簡單，采用的元器件相對較少。D1D2S1S2C1C2LV1V2(a) 雙向 Buck/Boost 變換器C1LS1S2D2D1C2V1V2(b) 雙向半橋變換器L1L2C3S1D2S2D1C1C2V1V2(c) 雙向 Cuk 變換器南京郵電大學 2012 屆本科生畢業設計（論文）3C1L1S1D2C3L2S2D1C2V1V2(d) 雙向 SEPIC 變換器圖 1-2 四種典型的非隔離型雙向 DC-DC 變換器雙向 DC-DC 變換器同樣有反激式(Flyback)、正激式

18、(Forward)、推挽式(Push-pull)、橋式(Bridge)、電流饋式(Current-fed)以及其它一些混合式的隔離式變換結構。圖 1-3 介紹了幾種改進的雙向 DC-DC 變換器拓撲結構。1:nL2Q3D3Q1D1Q4D4Q2D2Q7D7Q5D5Q8D8Q6D6ScLcCcVbatVbus(a) 全橋雙向 DC-DC 變換器L1TxCc1M3M4M1Cc2C2C1M2V1V2(b) 雙反激雙向 DC-DC 變換器南京郵電大學 2012 屆本科生畢業設計（論文）4S1S2S3S4L1RintC1Vbat(c) 雙推挽雙向 DC-DC 變換器TxS1D1C1S2D2C2S3D3C3

19、S4D4C4L1V0Vin(d) 雙半橋雙向 DC-DC 變換器圖 1-3 四種改進的隔離型雙向 DC-DC 變換器2.1.3 雙向 DC-DC 變換器的控制方式1.占空比(PWM)控制非隔離型雙向 DC-DC 變換器一般都采用 PWM 控制來調節與各個輸入級中開關的導通時間，從而控制電源與負載，以及各個電源之間的能量傳遞。此外，通過 PWM 控制來調整各個開關的通斷順序，也能實現多個輸入電源單獨或同時向負載供電。2.移相控制文獻7提出了 PWM 加移相復合控制的單輸入不對稱半橋雙向 DC-DC 變換器，其等效簡化電路以及電壓電流波形如圖 1-4 所示，通過占空比的 PWM 控制相當于在等效輸

20、入電壓和等效輸出電壓之間加入了一個電子變壓器，使ABVCDV和幅值始終匹配，并通過移相角的控制來調節傳輸功率大小和方向。該控ABVCDV制方式主要應用于隔離型雙向 DC-DC 變換器中，通過該方式控制開關管的通斷，南京郵電大學 2012 屆本科生畢業設計（論文）5可以降低電流應力和通態損耗，并且在某一端輸入電壓變化范圍較大時，拓展軟開關工作范圍。 (a)移相控制方式原理圖 （b）電壓電流波形圖圖 1-4 移相 PWM 控制方式的等效電路和電壓電流示意圖1.3雙向 DC-DC 變換器在電動汽車上的應用電動汽車中的電動機是典型的有源負載，電動機根據駕駛員的不同指令既可以工作在電動狀態又可以工作在再

21、生發電狀態，既可以吸收電池組電能將其轉換成機械能輸出也可以將機械能轉換成電能反饋繪電池組。由于電動汽車中的電動機的轉速范圍很寬，行駛過程中頻繁加速、減速，而且在電動汽車運行過程中蓄電池電壓的變化范圍也是很大的，在這樣的條件下如果用蓄電池組直接驅動電動機運轉，會造成電動機驅動性能的惡化，使用直流/直流(DC-DC)變換器可以將蓄電池組的電壓在一定的負載范圍內穩定在一個相對較高的電壓值，從而可以明顯提高電動機的驅動性能。另一方面，DC-DC 變換器又可以將電動機制動剎車時由機械能轉化而來的電能回饋給蓄電池組，以可控的方式對蓄電池組進行充電，這對于電池電動汽車有著非常重要的意義，尤其是在電動汽車需要

22、較頻繁的啟動和制動的城市工況運行條件下，有效地回收制動能量，可使電動汽車的行駛里程大大增加。電動汽車采用 DC-DC 變換器可以優化電動機控制、提高電動汽車整體的效率和性能，同時還可以避免出現反向制動無法控制和變換器輸出端出現浪涌電壓的不利情況8。目前，大多數 DC-DC 變換器是單向工作的，即通過變換器的能量流動的方向只能是單向的。然而。對于需要能量雙向流動的場合，例如超容量電容器在電動汽車中的應用，如果仍然使用單向 DC-DC 變換器，則需要將兩個單向 DC-DC變換器反方向并聯使用，這樣的做法雖然可以達到能量雙向流動的目的，但是總體電路會變得非常復雜，雙向 DC-DC 變換器就是可以完成

23、這種功能的直流變換器。雙向 DC-DC 變換器是指在保持交換器兩端的直流電壓極性不變的情況下，南京郵電大學 2012 屆本科生畢業設計（論文）6根據實際需要完成能量雙向傳輸的直流變換器。雙向 DC-DC 變換器可以非常方便地實現能量的雙向傳輸，使用的電力電子器件數目少，具有效率高、體積小和成本低等優勢。由于雙向 DC-DC 變換器具有以上優點，使其在電動汽車的發展過程中一直得到應用：1. 在電動汽車發展的初期，由于直流電動機結構簡單，技術比較成熟，具有優良的電磁轉矩特性，所以直流電動機得到了廣泛的應用。對于采用直流電動機的電動汽車而言，圖 1-5 所示為常見的利用雙向 DC-DC 變換器的驅動

24、系統結構圖。雙向DC-DC變換器驅動橋直流電動機圖 1-5 采用直流電動機的電動汽車驅動系統結構圖2. 由于直流電動機存在價格高、體積和質量大，維護困難等缺點，目前，電動汽車用電動機正在逐漸由直流向交流發展，直流電動機基本上已經被交流電動機、永磁電動機所取代。在這些應用場合，雙向 DC-DC 變換器可以調節逆變器的輸入電壓，并且可以實現再生回饋制動。圖 1-6 為這種驅動系統的結構圈。雙向DC-DC變換器三相逆變器驅動橋交流電動機圖 1-6 采用交流電動機的電動汽車驅動系統結構圖由于交流電動機具有高功率密度、低轉動慣量、轉動平滑以及低成本等優點，因此其得到了越來越多的應用。對于這種交流電動機如

25、果仍然采用通常的固定直流母線電壓脈寬調制的驅動方式，較低的輸入感抗必然會導致電動機電流波形中出現較大的紋波，同時會造成很大的鐵損耗和開關損耗，使用雙向 DC-DC 變換器就可以很好地解決這個問題。當采用這類電動機直接驅動電動汽車車輪時，由于電動機電流波形的紋波是與加在電動機輸入端子上電壓的瞬時值和電動機反電動勢之間的電壓差值成正比的，因此利用雙向 DC-DC 變換器可以根據電動機的轉速來不斷調整逆變器的直流側輸入電壓，從而減小電動機電流波形的紋波。另南京郵電大學 2012 屆本科生畢業設計（論文）7外，通過控制反向制動電流，雙向 DC-DC 變換器可以將機械能回饋到蓄電池組或是一個附加的超容量

26、電容器中，從而達到提高接車效率的目的。3. 由于單一的動力電池難以滿足電動汽車對于電池提出的各項要求，因此，人們開始探索將幾種電池組合使用，以發揮它們各自性能上的優勢。鉛酸蓄電池由于其技術比較成熟、價格比較便宜，長期以來一直作為電動汽車的主要能源，并且改進型的鉛酸蓄電池也在不斷推出之中。參考文獻9提出了在以鉛酸蓄電池為主電源的基礎上附加高功率密度的超容量電容器作為輔助電源的電源結構，由鉛酸蓄電池提供電動汽車正常運行過程中所需要的能量，由超容量電容器提供或吸收電動汽車加速或減速過程中的附加能量，這樣一方面利用了超容量電容器功率密度大的優點，減少了對蓄電池峰值功率的要求：另一方面彌補了超容量電容器

27、單一電源能量密度低的缺點，增加了電動汽車的行駛里程，也延長了蓄電池的使用壽命，降低了成本。在這樣的電源結構中，由于超容量電容器的能量流動方向是雙向的，因此，需要在超容量電容器與直流母線間接入雙向 DC-DC 變換器。當電容器輸出能量時，DC-DC 變換器正向升壓工作，將超容量電容器的電壓升高到較高的直流母線電壓；當電容器吸收能量時，DC-DC 變換器反向降壓工作，將母線電壓降低以恒流的方式對電容器充電。參考文獻10指出在現有各種蓄電池中，燃料電池(FC)以：其優越的性能和良好的開發前景，被廣泛認為是未來電動汽車車載電池的最佳選擇。燃料電池平時將燃料和氧化劑分別作為電池兩極的活性物質保存在電池的

28、本體之外，當工作時，燃料連續通入電池體內，使電池放電。燃料電池所需維修少、保養費用低、啟動時間短，圖 1-7 給出了燃料電池的電流-電壓特性曲線。圖 1-7 燃料電池的電流-電壓特性曲線從圖 1-7 可以清楚地看出燃料電池的特性，在燃料電池加載的起始階段，其電壓下降較快；在起始階段之后，當負載電流增加時，其電壓下降率仍比普fcU通電池大得多，因此燃料電池的輸出特性相對較軟。此外，燃料電池的特點及結南京郵電大學 2012 屆本科生畢業設計（論文）8構決定了如果其輸出功率波動較大，將會導致其效率下降。若以燃料電池作為直接驅動電源，因其輸出特性偏軟，必須在燃料電池之后接入輸出特性較硬的 DC-DC

29、變換器，即由燃料電池和 DC-DC 變換器組成一個統一電源，由其負責對整車供電。為了提高峰值功率，改善燃料電池輸出功率的瞬態特性，在燃料電池電動汽車電源中多加入超容量電容器。超容量電容器主要有三個作用11：1) 在燃料電池發電前通過雙向 DC-DC 變換器升高電壓，提供較高的總線電壓能量，保持電源輸出功率的穩定；2) 當汽車加速時，超容量電容器通過雙向 DC-DC 變換器，可以提供所需的峰值功率；3) 汽車制動時，逆變器和雙向 DC-DC 變換器將再生制動的能量存儲到超容量電容器中。通過加入超容量電容器和雙向 DC-DC 變換器，提高了電動汽車的加速和減速性能。圖 1-8 為燃料電池電動汽車的

30、驅動系統結構圖。燃料電池DC-DC變換器超容量電容器雙向DC-DC變換器三相逆變器電動機驅動橋圖 1-8 燃料電池電動汽車的驅動系統結構圖1.1論文的主要研究內容和結構雙向 DC-DC 功率變換器要在電動汽車、航天等許多應用場合獲得實際應用，但仍面臨三大問題，即雙向 DC-DC 功率變換器的功率密度、電磁兼容性和成本問題。軟開關技術是解決功率密度和電磁兼容性問題的關鍵技術。目前雙向 DC-DC 功率變換器的軟開關方法主要可以分為采用輔助開關軟開關方法和不采用輔助開關軟開關方法。采用輔助開關的軟開關法有：零電壓轉換(ZVT)和零電流轉換(ZCT)雙向 DC-DC 功率變換器、有源鉗位雙向 DC-

31、DC 功率變換器。零電壓轉換(ZVT)和零電流轉換(ZCT)雙向 DC-DC 功率變換器 結合了PWM 工作和諧振變換器的優點，但需要額外引入輔助開關，且輔助開關 通常為硬開關，在輔助開關上仍存在較大的開關損耗，因此實用性并不高。有源鉗位的雙向 DC-DC 功率變換器也結合了 PWM 工作和諧振變換器的優點12，但是也需南京郵電大學 2012 屆本科生畢業設計（論文）9要額外引入輔助開關。典型的有源鉗位電流全橋式雙向 DC-DC 功率變換器 雖然正向工作時可以實現軟開關，但反向工作時輔助鉗位開關為硬開關。因此，目前采用輔助開關的軟開關雙向 DC-DC 功率變換器存在電路元件多，需要額外引入輔助

32、開關及其控制電路等缺點，因此影響成本和功率密度。而且，仍存在由于硬開關操作造成的開關損耗和電磁干擾問題。不采用輔助開關軟開關方法有：諧振、準諧振、多諧振雙向 DC-DC 功率變換器、準方波零電壓開關雙向 DC-DC 功率變換器、相移控制雙向 DC-DC 功率變換器。它們的顯著優點是無需增加輔助器件即可實現功率器件的零電壓或零電流開關條件，電路簡單、可靠、經濟。但諧振、準諧振、多諧振技術的雙向 DC-DC功率變換器由于基于 LC 諧振工作原理13，存在功率器件電壓和電流應力大，通態損耗高，軟開關的負載范圍受限等缺陷；軟開關準方波零電壓開關雙向 DC-DC功率變換器雖然可以定額工作，但存在電流脈動

33、大、功率器件通態損耗和鐵心損耗大的缺點；相移控制雙向 DC-DC 功率變換器具有功率器件電壓和電流應力小，額定工作無需增加輔助器件即可實現功率器件的零電壓開關條件等優點，但當功率變換器的輸入電壓或輸出電壓偏離標稱電壓時，移相控制在電路中造成嚴重環流，導致通態損耗的迅速增加和軟開關條件的破壞，嚴重影響移相控制雙向 DC-DC 功率變換器的應用。PWM 控制具有器件的電壓電流應力低、通態損耗小、無環流的優點，但功率開關為硬開關。若能將相移控制和 PWM 相結合，發揮PWM 控制對雙向 DC-DC 功率變換器的輸入和輸出電壓大范圍變化適應性強的優點，發揮移相控制具有無須輔助開關即可實現雙向 DC-D

34、C 功率變換器零電壓開關的能力優勢，就可較好的解決雙向 DC-DC 變換器在應用中所遇到的問題14。本文在深入了解雙向 DC-DC 變換器最新研究動態和方向的基礎上，分析介紹一種新型的中、小功率雙向半橋零電壓切換(ZVS)DC-DC 變換器的拓撲結構。把軟開關技術和 PWM 控制技術以及雙向 DC-DC 變換器技術有機結合在一起，有效降低了電路的開關損耗和開關噪聲，減少了器件開關過程中產生的電磁干擾，為變換器裝置提高開關頻率和效率、降低尺寸和重量提供了良好的條件。同時，還保持了常規的硬開關半橋 PWM 雙向 DC-DC 變換器中拓撲結構簡潔、控制方式簡單、開關頻率恒定和元器件的電壓和電流應力小

35、等優點，通過仿真進行了驗證分析。本文結構說明如下：第一章緒論部分介紹了課題的研究背景，雙向 DC-DC 變換器的基本概念，應用場合，拓撲的衍化方式和國內外的研究現狀，提出一種實用于燃料電池電動汽車的雙向半橋 DC-DC 變換器的基本要求和解決的方法。第二章詳細分析了所提出的適用于電動汽車的雙向 DC-DC 變換器的工作原理，根據各個開關管的開關狀態，分析該等效電路的換流過程，推導出了實現軟開關的條件。南京郵電大學 2012 屆本科生畢業設計（論文）10第三章結合所提出的雙向 DC-DC 變換器的穩態特性對電路的輸出做了詳盡的分析，并為實現該特性對電路中主要元件參數的選取原則進行推導和計算。第四

36、章通過 Saber 軟件對雙半橋雙向 DC-DC 變換器在正向(Boost)和反向(Buck)兩種工作模式下的工作進行了仿真，仿真結果驗證了理論分析。南京郵電大學 2012 屆本科生畢業設計（論文）11第二章雙半橋雙向 DC-DC 變換器工作原理與結構分析本章對本文提出的一種雙半橋雙向 DC-DC 變換器拓撲圖進行了原理分析，并給出了此變換器的主電路參數設計。所提出的雙向 DC-DC 變換器可以在不用增加輔助電路的情況下實現開關管的零電壓通斷，并且各開關管的反并聯二極管的反向恢復特性良好。2.1電動汽車雙向 DC-DC 變換器2.1.1 燃料電池電動汽車能量管理系統雙半橋雙向變換器的結構簡單，

37、隔離變壓器的兩端各有一個對稱半橋。變換器中的功率傳輸由兩個對稱半橋之間的移相控制。無需另外加入任何輔助開關或無源諧振網絡，變換器中的所有開關均可在雙向變換中工作于零電壓開通狀態，且開關的電壓應力低。另外電路中沒有大的延時器件存在，變換器的動態響應較快。此變換器主要用于混合動力汽車燃料電池的輔助啟動。該變換器實現了輸入端與輸出端之間的雙向功率流動，與前述所提到的其它拓撲的直流變換器相比較，具有下列優勢15：(1)元器件數目少；(2)在沒有輔助器件和諧振電路的情況下，能夠在較大的負載范圍內實現軟開關；(3)控制簡單。此外，雙半橋(DHB)DC-DC變換器的另一個重要優勢是可以提供連續的輸入電流，從

38、而適合于連接蓄電池、超級電容器等儲能元件。通過對輸入電感電流的控制，也可以很容易實現每個輸入端之間的功率分配。燃料電池雙向DC-DC變換器CMEU控制器壓縮機電機(CMEU)逆變器牽引電動機電壓箍位蓄電池高壓直流母線圖 2-1 燃料電池電動汽車能量管理系統框圖近年來國內外的研究表明，蓄電池與燃料電池混合使用，蓄電池能量密度大的特性顯著提高功率和電能利用效率，降低成本。蓄電池構成輔助儲能裝置連接的雙向 DC-DC 變換器是此能量管理系統中的重要組成部分之一。通過雙向 DC-DC 變換器可以滿足這兩個方面的要求：(1)蓄電池供電時，雙向 DC-DC 變換器工作在升壓放電(Boost)模式，在輸入電

39、池電壓波動的情況下，使輸出直流母線電壓南京郵電大學 2012 屆本科生畢業設計（論文）12穩定在高壓，實現燃料電池的快速啟動，并提高牽引電動機的驅動性能；(2)在汽車剎車制動時，雙向 DC-DC 變換器工作在降壓充電(Buck)模式，將由機械能轉化而來的電能回饋給蓄電池。燃料電池電動汽車能量管理系統如圖 2-1 所示。要使蓄電池和主電源(燃料電池)與負載之間有效地結合起來，需要一種合適的雙端口雙向 DC-DC 變換器。選擇兩端口雙半橋(DHB)DC-DC 變換器作為蓄電池和逆變器接口電路。2.1.2 蓄電池燃料電池電動汽車動力系統工作模式分析采用蓄電池燃料電池電動汽車驅動牽引系統根據汽車行駛過

40、程中的不同狀態，有以下三種工作模式16：工作模式 l：在汽車啟動和加速時，燃料電池所發出的功率小于電機負載所需要的功率，此時燃料電池和儲能元件蓄電池同時向負載供電；工作模式 2：當汽車行駛速度穩定時，燃料電池不但要保證給牽引電機供電，同時還要將蓄電池充電到合理狀態，以備加速爬坡時能提供瞬時功率輸出，或者回收制動能量；工作模式 3：在剎車制動階段，燃料電池停止供電，牽引電機工作在發電機狀態，此時將制動能量回饋給儲能裝置，向蓄電池充電。在模式 1 中，蓄電池處于放電狀態，此時雙半橋 DC-DC 變換器工作在正向Boost 升壓模式，使電能由低壓側流向高壓側時，高壓側電壓達到預期值并保持恒定；而在模

41、式 3 中，雙半橋 DC-DC 變換器工作在反向 Buck 降壓模式，通過回收制動能量對混合儲能裝置進行充電；在模式 2 中，雙半橋變換器的工作狀態處于半工作或待工作狀態，實際上是 Boost 和 Buck 模式的過渡階段。為了實現高效的電動功率分配和制動能量回饋，雙半橋 DC-DC 變換器需要采用合理的控制方式，根據不同的負載情況來決定能量的流動方向，從而確定雙向變換器的工作狀況。本文將對雙半橋 DC-DC 變換器在 Boost 和 Buck 兩種基本模式下的工作原理進行討論。2.2雙半橋雙向 DC-DC 拓撲結構的選擇與分析2.2.1 主功率拓撲的選擇在 DC-DC 變換器中，Buck、B

42、oost、Buck-Boost、Cuk、Flyback 和 Forward等單管構成的電路一般只適用于中小功率場合，而在中大功率場合，則一般采用半橋變換器。此外，由于本論文所研制的 DC-DC 變換器是將蓄電池輸出的低壓12V 直流電，變換成 300V 穩定不變的直流電輸出，輸入輸出差別比較大，所以非隔離型 DC-DC 變換器是不適用的。在隔離型的 DC-DC 變換器中，正激電路需磁復位繞組，變壓器單向磁化，利用效率低。推挽電路鐵芯容易引起直流偏磁飽和。反激變換器的功率很難做大，一般只用在數十瓦到百瓦級的功率變換場合。南京郵電大學 2012 屆本科生畢業設計（論文）13對于半橋 DC-DC 變

43、換器，由于開關管承擔的電壓電流應力小，功率變壓器為雙向磁化，磁芯利用效率高，易于實現大功率輸出。半橋 DC-DC 變換器可以分為兩類：一類是電壓型，一類是電流型。電壓型 DC-DC 全橋變換器是一種類似于 Buck 型的變換器，電路結構簡潔，控制簡單；電流型 DC-DC 全橋變換器則是一種類似于 Boost 型的變換器，該變換器的電感處于輸入電源側，可用于大功率功率因數校正電路17。綜上所述，本變換器的主功率電路采用的是帶隔離變壓器的雙向(正向升壓Boost，反向降壓 Buck)DC-DC 雙半橋拓撲結構。2.2.2 控制方案選擇傳統的 PWM 全橋變換器，由于工作在硬開關狀態，因而影響了效率

44、的提高；諧振變換器可以工作在軟開關狀態，但它的輸出變化是通過調節開關頻率來實現的，這就給濾波器的優化設計帶來了麻煩。而全橋移相軟開關技術，以恒定頻率PWM 方式工作，在功率器件開關過程中諧振，使其工作在軟開關狀態，兼顧了PWM 變換器和諧振變換器的優點。使用移相軟開關技術的全橋電路的優點是：1) 實現了功率管的 ZVS(Zero-Voltage Switch)工作方式2) 開關頻率恒定這種電路的缺點是：1) 由于諧振電感的存在，造成了副邊占空比的丟失rL2) 電路內部存在環流損耗對于存在副邊占空比丟失的現象，可以用兩種方法改善：1) 諧振電感可以用可飽和電感代替。可飽和電感是一種工作在線性區時

45、rL具有一定的電感量，工作在飽和狀態時電感量為零的電感。2) 采用輔助諧振網絡來減小諧振電感，從而減小副邊占空比丟失。對于存在環流這種現象，可以使用零電壓零電流開關(ZV-ZCS)方案，即左邊橋臂實現零電壓開關，右邊橋臂實現零電流開關。但是，ZV-ZCS 方案需要在變換器的主功率電路中串入某些元件（如阻斷二極管、阻斷電容等） ，用以阻斷變壓器原邊電流的反向通路。由于串入的元件不是理想器件，在變換器工作時它們存在通態損耗，這在低壓大電流輸入的情況下，損耗特別巨大。故權衡利弊，還是決定采用 ZVS 結合 PWM 加移相控制方案。2.2.3 拓撲電路的分析該電路包含一個輸入級升壓半橋電路，一個兩繞組

46、的高頻變壓器，以及一個輸出級電壓型半橋電路。從圖 2-2 中可知，該雙向 DC-DC 變換器(DHB)兩端分別為高壓側和低壓側，可工作在升壓和降壓兩種模式，具有能量雙向流動的特點。南京郵電大學 2012 屆本科生畢業設計（論文）14開關管 S1和 S2互補導通，S3和 S4互補導通，當開關管 S1的導通相位超前于開關管 S3的導通相位時，變換器工作在正向升壓模式，而當開關管 S1的導通相位滯后于開關管 S3的導通相位時，變換器工作在反向降壓模式。由此可根據開關管S1、S3的導通相位來控制變換器能量的雙向流動。圖 2-2 雙半橋雙向 DC-DC 變換器主電路拓撲由圖 2-2 可以看出該變換器輸入

47、級的組合式升壓半橋拓撲單元是一個 Boost升壓電路與一個電壓型半橋電路的復合。在 Boost 電路中，S2的導通使得電感充電，導通時間的長短決定了中存儲能量的大小，也決定了 AB 兩點間的dcLdcL電壓高低。半橋電路中的 S1與 S2互補導通，使得加在變壓器原邊上的電壓正負幅值分別等于電容 C1和 C2上的直流電壓，形成了高頻交流方波電壓，導通的占空比決定了該交流方波電壓的寬度。變壓器副邊高壓側是一個電壓型半橋拓撲單元，利用 S3和 S4的反并聯二極管，把變壓器上的脈沖交流電壓整流成直流電，并對電容 C3和 C4充電，從而實現了輸入電源與高壓側負載之間通過隔離變壓bV器的電能傳遞。而當變換

48、器工作在反向 Buck 時，拓撲結構是一個降壓電路與電流型半橋電路的復合，能量由高壓側向低壓側傳遞。其工作過程與正向升壓電路類似。2.3變換器等效電路圖 2-3 中的雙繞組變壓器中和分別為變壓器原、副邊的漏感，變壓器1sL2sL在變換器中所起的作用：(1)提供儲能元件與負載之間的電氣隔離；(2)從低壓側至高壓側的升壓。變壓器漏感被用作輸入和輸出負載之間的能量傳遞元件。由于變換器工作過程中是以變壓器漏感作為低壓側和高壓側能量傳遞元件，rT南京郵電大學 2012 屆本科生畢業設計（論文）15因此在進行電路簡化分析時，可以用漏感來代替變壓器。變壓器的漏感，雙向 DC-DC 變換器的等效電路如下圖 2

49、-3 所示：12sssLLL圖 2-3 雙半橋(DHB)DC-DC 變換器以原邊為參考的等效電路圖 2-4 中顯示了以原邊為參考時，變壓器兩側的理想電壓與電流波形。低壓側(LVS)的半橋電路三在變壓器原邊生成了一個方波電壓，而高壓側(HVS)的半pV橋電路在變壓器副邊生成了一個方波電壓(K)。變壓器兩側所傳遞的能量大小由方波電壓之問的移相角來決定。而電流波形是由移相角以及(，)與(，)之1V3V2V4V間的電壓關系來共同確定的，在下文中將進行詳細論證。圖 2-4 以原邊為參考時變壓器兩次的電壓和電流波形南京郵電大學 2012 屆本科生畢業設計（論文）162.4變換器換流分析在分析該變換器的工作

50、原理和換流過程之前，先作如下假設18：1. 變換器已達到穩態工作；2. 所有開關管、二極管均為理想器件；3.為與開關管相對應的寄生二極管，為開關管的對應結電容和nDnSnCrnS外并電容之和(其中 n=14)；4. 輸入電感足夠大，使得其中通過的電感電流 保持連續和恒定，紋波dcL1i電流很小：5. 變壓器乃的激磁電感足夠大，激磁電流較小，對功率流動的影響可以忽略不計；6. 兩側的均壓電容以及輸出濾波電容足夠大，使保持恒定。1C4C0C1V4V2.4.1 正向工作模式在 Boost 模式下，隔離式雙半橋 DC-DC 變換器變壓器原副邊在一個開關周期的電壓電流波形以及開關時序如圖 2-5 所示。

51、每個開關周期所對應的變換器工作模態都是相同的。一個完整的開關周期根據狀態的不同可以劃分成 13 個工作區間( ，12 個時間點)。這里假設 時刻之前的穩態對應于開關管 S1和 D3導1t12t1t通。在模態分析中，有兩個概念說明如下：零電壓開通(ZVS)：指的是工作電流從開關管的反并聯二極管流過，在此期間，向開關管加驅動信號的狀態。開關管導通：指的是開關管在已施加正向驅動信號的狀態下工作電流從反并聯二極管轉移到開關管的狀態。下面分別對各個模態做出換流分析：南京郵電大學 2012 屆本科生畢業設計（論文）17圖 2-5 正向 Boost 模式下的電壓電流工作波形以及開關時序模態 l( 之前)：電

52、路處于穩定狀態，S1和 D3導通。1t模態 2( )：在 時刻， S1關斷。、與變壓器漏感發生諧振，使1t2t1t1rC2rCsL得通過兩端的電壓從+開始下降，通過兩端的電壓形從 0V 開始2rC2rV1V2V1rC1rV上升。的上升率和的下降率相同，取決于 S1關斷前流過開關管 S1的電流1rV2rV即在 時刻變壓器原邊電流與輸入電流的差值。offi1tpidci模態 3()：在時刻，下降到 0V，此后 D2正偏導通。在這段時間內，2t3t2t2rVS2可以零電壓導通。模態 4()：從時刻開始，小于，所以通過二極管 D2的電流轉移到3t4t3tpidciS2上。一直減小到時刻為 0A，因此在

53、時刻之前 D3一直導通。4t4t模態 5()：從時刻開始，開始改變極性，因此 D3上的電流將轉移到4t5t4tpi南京郵電大學 2012 屆本科生畢業設計（論文）18S3上，S3零電壓導通。模態 6()：在時刻，S3關斷。、與變壓器漏感發生諧振，使5t6t5t3rC4rCsL得通過兩端的電壓從+開始下降，通過兩端的電壓場從 0V 開始上4rC4rV3V4V3rC升。的上升率和的下降率相同，取決于時刻的值。3rV4rV5tpi模態 7()：在時刻，當過零變負時，D4正向偏置。在這段時間里，6t7t6t4rVS4可以零電壓開通。模態 8()：在時刻，S2關斷。、與變壓器漏感又一次發生諧7t8t7t

54、1rC2rCsL振，使得通過兩端的電壓從+開始下降，通過兩端的電壓從 0V1rC1rV1V2V2rC2rV開始上升。的下降率和的上升率相同，取決于 S2關斷前流過開關管 S2的電1rV2rV流，即在時刻變壓器原邊電流與輸入電流之和。7tpidci模態 9()：在時刻，當開始過零變負時，D1正向偏置導通，一直8t9t8t1rVpi增加到時刻為 0A。在這期間，S1能夠零電壓開通。9t模態 10()：從到時刻，開始改變極性并持續增長直到時刻等于9t10t9t10tpi10t，電流從 D4轉移到 S4。dci模態 11()：從時刻開始，開始超過，電流從 D1轉移到 S1，S1零10t11t10tpi

55、dci電壓導通。模態 12()：在時刻，S4關斷。、與變壓器漏感又一次發生11t12t11t3rC4rCsL諧振，使得通過兩端的電壓從+開始下降，通過兩端的電壓從3rC3rV3V4V4rC4rV0V 開始上升。的下降率和的上升率相同，取決于時刻的值。3rV4rV11tpi模態 13(之后)：在時刻，當過零變負時，D3正向偏置而導通。電路12t12t3rV回到初始狀態(模態 1)，在這段時間里，S3能夠零電壓導通。2.4.2 反向工作模式由于雙半橋 DC-DC 變換器兩側半橋拓撲結構的對稱性，反向(Buck)模式的工作原理與正向(Boost)模式是相似的。由于電能流動的方向是相反的，電壓的相sV

56、南京郵電大學 2012 屆本科生畢業設計（論文）19角要超前于。此外，輸入電感電流也要反向流動。Buck 工作模式的開關周pVdci期也可以被劃分為 13 個區間。每個區間的工作過程和換流分析都與正向 (Boost)模式相似，在本文中將不再論述。2.5正向/反向模式下的軟開關條件雙半橋雙向 DC-DC 變換器在正向模式下的工作原理：即開關器件關斷時，會將其中通過的電流轉移到相應的箝位電容中，從而使箝位電容與變壓器漏感諧振，與同一橋臂上兩個開關管并聯的箝位電容分別進行充電和放電，電壓線性上升和下降，從而實現零電壓關斷，而零電壓開通的實現是通過使已施加正向驅動信號的開關管在反并聯二極管導通時開通1

57、9。在 Boost 模式下開關管 S1S4的零電壓開關(ZVS)的實現與開關管關斷前時刻的原副邊電流的狀態有關，不同時刻的電流要求如式(2-1)。 (2-1)1177511( )( )( )( )( )0()0pdcpdcppi titi titi ti t對于 Buck 模式，由于電路結構的對稱性及功率流向的反向關系，各模態以及各開關管的零電壓開關(ZVS)條件與 Boost 模式相同，即式(2-2)。 (2-2)17551111( )0( )0( )( )()()pppdcpdci ti ti titi tit2.6本章小結本章結合雙半橋(DHB)DC-DC 變換器在燃料電池電動汽車動力系

58、統中啟動加速，巡航平穩運行和剎車制動等模式的應用問題進行需求分析，然后分別對雙向變換器主拓撲結構和控制方案的選擇進行論證，對正向(Boost)和反向(Buck)兩種模式下的等效電路工作原理、換流過程和以及軟開關條件等進行了詳細的理論分析，為下一步的穩態特性分析做準備。南京郵電大學 2012 屆本科生畢業設計（論文）20第三章雙半橋雙向 DC-DC 變換器穩態特性分析與設計3.1雙向變換器輸出特性分析對雙半橋 DC-DC 變換器輸出穩態特性的分析是以圖 2-4 所示的以原邊為參考的等效電路和圖 2-5 所示的變壓器理想電壓電流波形為基礎的。從圖 2-3 中可以看出，在一個開關周期內，變換器有 4

59、 種模態。變壓器電流是(=)的函數，其中，為開關頻率。當占空比為 D 時，一個pit2ff周期內正半周的方波長度為。22 D在模態 (3-1)14( )(0)ppsVViIL10在模態 (3-2)1311( )()( )ppsVViIL12在模態 (3-3)2322( )()()ppsVViIL212在模態 (3-4)241212( )()()ppsVViIL122由于一個周期內變壓器正負半周的伏秒值應平衡，即變壓器電流初始條件pi應滿足式(3-5)所示的邊界條件 (3-5)2112(0)()( )()ppppIIII 由式(3-1)(3-5)可求得 (3-6)13141121( )()22p

60、ssVVVVILL (3-7)13232211()()22pssVVVVILL上述兩式結合邊界條件式(3-5)，可得的初始條件如式(3-8)，表明，流過漏pi南京郵電大學 2012 屆本科生畢業設計（論文）21感的電流與電容電壓、線性相關。pi1V2V3V4V (3-8)13141121132322112121( )()22()()22(0)()()( )psspssppppVVVVILLVVVVILLIIII 由以上分析，可得變換器的輸出功率：200( )( )2ppivdP12121212201( )( )( )( )( )( )( )( )2ppppppppivdivdivdivd (3