（控制理论与控制工程专业论文）电动汽车用三端口隔离式双向dcdc变换器的研究.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 主席： 委员： 导师： 答辩委员会签名( 工作单位、职称) 却嘻嚎 谢宪 i j y 礅 安f 铬 刍求碰六鲎 磁 函l j 教磁， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 佥胆互些盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者躲彳寿灰 签字嗍矽年朔舶 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金肥王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金胆 王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：万畴 签字日期：7 0 r (午月三钿 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：7 0 ，年午月玉细 电话： 邮编： 电动汽车用三端口隔离式双向d c d c 变换器的研究 摘要 多端口d c d c 可用于混合能量系统中连接不同的电源和储能装置，已成为 近年来d c d c 变换器研究的热点。本文以电动汽车为应用背景，采用蓄电池和 超级电容器混合储能实现电动汽车刹车制动时能量的回馈。 主拓扑采用三全桥双向d c d c 变换器来作为蓄电池一超级电容器的混合储 能接口电路。为了减小蓄电池和超级电容器充放电的电流纹波，采用电流型全 桥单元连接变压器三个端口，即电流型三全桥双向d c d c 变换器。由于传统的 控制方式是采用变压器各个端口电压波形的移向角来控制三端口功率传送的大 小和方向，超级电容器端电压变化范围较大，使得系统调节和软开关性能受到 很大影响。因此提出采用超级电容器侧占空比加移相角的控制方式。 首先根据双全桥( d a b ) d c d c 变换器中变压器两侧矩形电压波形的占空比 d 和移向角西的大小将d a b 变换器分为三种不同的工作模式，并分析计算出每 种模式下变压器漏感电流和所传输的功率大小和软开关条件。在对d a b 变换器 分析的基础上引出三全桥( t a b ) d c d c 变换器的四种工作模式，即双内部模式、 内外部模式、外外部模式和外内部模式。对t a b 变换器在双内部模式下的稳态 和动态性能进行分析，通过仿真软件s a b e r 2 0 0 7 对稳态工况和软开关特性进行 了仿真研究。 根据一个周期内的t a b 变换器的工作模态，用状态空间平均建模法建立三 全桥d c d c 变换器的状态空间平均模型，并在此基础上求得d = 1 情况下变换器 的小信号模型和小信号传递函数。设计电流内环解耦网络以实现对两个输入电 感电流的独立控制，进行三全桥d c d c 变换器控制系统的设计并使用 m a t l a b s i m u l i n k 搭建闭环模型，进行仿真。 最后根据仿真和分析的要求，进行三全桥d c d c 变换器硬件电路设计。研 制出以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 芯片为控制内核，功率为1 6 k w 的数字移相控制 三全桥d c d c 变换器实验平台，对变换器系统进行实验研究。验证了上述对三 全桥d c d c 变换器的分析结果。 论文中还对一些有待继续研究的问题提出了设想。 关键词：三全桥d c d c 变换器，移相p w m 控制，建模，闭环控制系统 s t u d yo na nis o l a ti v et h r e e p o r tb i d i r e c ti o n a ld c d c d e s i g n e df o re l e c t r i cv e h i c l e s a b s t r a c t w i t ht h ep o t e n t i a lt ob eu s e di nh y b r i de n e r g ys y s t e mt oc o n n e c tp o w e r s u p p l i e sa n de n e r g ys t o r a g eu n i t s ，m u l t i p o r td c d ci sn o wb e c o m i n gt h e f o c u si nt h ef i e l do fd c d ct e c h n i q u e t a k i n ge l e c t r i cv e h i c l e sa st h e b a c k g r o u n d ，t h et h e s i ss t u d i e sam u l t i p o r td c d c c o n v e r t e r t h et o p o l o g yo ft h ec i r c u i ti 8at h r e e c o ilt r a n s f o r m e rw i t ht h e c o il sc o n n e c t i n gv i af u ll b r i d g ed c d cc o n v e r t e r sr e s p e c t i v e l yt o b a t t e r y ，s u p e r c a p a c i t o r ，a n dt h ev e h i c l e sd r i v es y s t e mt h a tc o n s u m e s e n e r g yi nn o r m a lr u n n i n ga n df e e d se n e r g yb a c kw h i1 eb r a k i n g t h et h r e e f u l l b r i d g eb i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r sa r ed e s i g n e dt ob eo f c u r r e n t t y p e i no r d e rt or e d u c et h er i p p l eo fc h a r g ea n dd i s c h a r g e c u r r e n t so ft h eb a t t e r ya n dt h es u p e rc a p a c it o r f o rt h ec o n t r o lo f m a g n i t u d ea n dd i r e c t i o no fp o w e rt r a n s m i s s i o nw i t h i nt h es y s t e m ，am e t h o d t h a tc o n t r o l st h ep h a s ea n g l es h i f ta n dd u t yc y c l ea tt h es u p e rc a p a c i t o r i sp r o p o s e dt or e d u c et h e1 a r g ev o l t a g ef l u c t u a t i o no fs u p e rc a p a c i t o r a n di m p r o v et h ep e r f o r m a n do fs y s t e mr e g u l a t i o na n ds o f t s w i t c h i n g ， i n s t e a do ft h ec o m m o n l yu s e dv o l t a g ew a v e f o r ma n g l es h i f tc o n t r o la t i n d i v i d u a lt r a n s f o r m e rp o r t b a s e do na na n a l y s i so ft h e3w o r k i n gm o d e so ft h ed u a la c t i v eb r i d g e ( d a b ) ，t h e4w o r k i n gm o d e sa r ed e d u c t e df o rt h et r i p l ea c t i v eb r i d g e ( t a b ) w i t hs t r e s s e so nt h el e a k a g ei n d u c t a n c ec u r r e n t s ，t r a n f e r e dp o w e r ，a n d t h ec o n d i t i o n so fs o f t s w i t c h i n g t h es t a r i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e s ， a sw e l la st h es o f t s w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e dw i t ht h ea i d o fs a b e r 2 0 0 7 a c c o r d i n gt ow o r k i n gm o d e si nac y c l e ，t h es t a t e s p a c ea v e r a g em o d e l o ft a bc o n v e r t e ri se s t a b l i s h e d ：s m a i ls i g n a lm o d e la n ds m a l ls i g n a l t r a n s f e rf u n c t i o na r eo b t a i n e d a ni n n e rc u r r e n t l o o pd e c o u p l i n g n e t w o r k si sd e s i g n e dt oa c h i e v ei n d e p e n d e n tc o n t r o lo ft h et w oi n p u t i n d u c t o rc u r r e n t t h ec o n t r o l s y s t e mf o r t h et r i p l e b r i d g ed c d c c o n v e r t e ri sd e s i g n e da n ds i m u l a t e dw i t hm a t l a b s i m u l i n kc l o s e d l o o p m o d e l at m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ab a s e d1 6 k wp r o t o t y p ei sd e v e l o p e da n dt h ea b o v e t h e o r e t i c a lr e s u l t sa r ev e r i f i e do nt h i sp 1 a t f o r m t h ist h e s i sa l s op u t sf o r w a r ds o m ei d e a st h a tm i g h tb ef u r t h e r s t u d i e d k e y w o r d s ：t r i p l ea c t i v eb r i d g ed c d cc o n v e r t e r ：p h a s ea n g l es h i f tp w m c o n t r o l ；m o d e li n g ；c l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e m t矗鹭 致谢 值此论文脱稿之际，衷心地感谢我的导师张崇巍教授。在两年多的硕士研 究生学习和课题研究过程中，自始至终得到了张老师无微不至的关怀。张老师 以渊博的知识、严谨的治学态度、敏锐的思维和非凡的敬业精神给予了我专业 的指导。张老师在学术上谆谆教导，以及对生活上的悉心关怀，使我终身难忘。 特别感谢张兴教授对学生的关心和指导，在研究生学习、科研过程中，有 幸加入张兴教授的研究团队，张教授严谨求实的科研态度、谦虚朴实的人品、 广博的理论知识、忘我的工作精神和富含激情的工作状态值得学生一生来学习。 感谢张教授为学生提供的良好的软硬件科研条件，您的孜孜教诲提升了学生的 科研能力同时也使学生养成了良好的科研习惯；您的批评训导完善了学生的人 格品质。这些将成为学生一生的财富，您是学生学习的榜样。 在此，谨向两位张老师表示由衷的感谢和诚挚的敬意。 在两年多的硕士学习和生活中，得到了刘胜永、谢军两位博士的无私帮助， 他们给予了我理论和实践的指导，帮助我解决了诸多科研问题，在此表示深深 的谢意。同时，还要感谢杨淑英、谢震、王付胜三位老师以及师姐刘芳博士在 课题研究过程中给予的建议和帮助。 感谢实验室的同窗好友们陪我度过了许多难忘的时光，大家相互关心，共 同进步，组成了一个朝气蓬勃、积极奋发和团结互助的优秀科研团队。感谢王 成悦、朱云国、顾军、黎善寿、童诚、谭理华、黎芹、蒲道杰、廖军、朱波、 邵章平、李飞、陈武、丁杰、王莹、查乐、张虎、刘震、胡超、童杰、周文明、 常强贵、俞哲旦以及实验室的师弟师妹们，在共同的工作、学习和娱乐生活中， 我们大家相互了解、相互帮助、共同进步。和他们在一起，我愉快地度过了紧 张而又难忘的研究生生活。 最后，我要感谢默默支持我的父母、哥哥和姐姐，他们对我深深的爱是我 不断进步的源泉，在此我要向他们表示深深的敬意和真心的祝福! 作者：郭海滨 2 0 11 年4 月 目习 第一章绪论1 1 1课题背景及意义1 1 1 1储能技术在新能源发电系统中的应用1 1 1 2各种储能技术简介1 1 1 3混合储能技术的研究及应用2 1 2多端口d c d c 变换器概述3 1 2 1多端口d c d c 变换器的提出3 1 2 2多端口双向d c d c 变换器拓扑结构4 1 2 3d c d c 变换器的控制5 1 3多端口d c d c 变换器研究状况6 1 3 1双输入d c d c 变换器7 1 3 2 两输入电流型三端口三半桥( t h b ) d c d c 变换器8 1 3 3两输入全桥d c d c 变换器8 1 4本文主要研究内容1 0 第二章三全桥双向d c d c 变换器的工作原理1 1 2 1电动汽车系统概述1 1 2 1 1电动汽车储能系统介绍1 1 2 1 2 带有混合储能装置的电动汽车驱动系统工作模式分析1 1 2 2双全桥双向( d a b ) d c d c 变换器1 3 2 2 1双全桥d c d c 变换器的工作原理1 3 2 2 2双全桥d c d c 变换器内部模式下的稳态性能分析1 5 2 2 3双全桥d c d c 变换器软开关性能分析1 7 2 3三全桥( t a b ) d c d c 变换器拓扑1 8 2 3 1三全桥主电路拓扑结构1 8 2 ，3 2变换器等效电路1 9 2 3 3三全桥d c d c 变换器能量流动和控制方式2 0 2 4三全桥双向( t a b ) d c d c 变换器换流分析2 1 2 4 1三全桥变换器工作模式2 1 2 4 2三全桥变换器正向升压( b o o s t ) 情况下换流分析2 2 2 4 3 一三全桥变换器反向降压( b u c k ) 情况下换流分析2 8 2 5 本章小结2 9 第三章t a b 变换器稳态特性和软开关条件3 0 3 1t a b 变换器稳态特性分析3 0 3 1 1等效变压器漏感电流3 0 3 1 2t a b 变换器各端口功率大小3 2 3 2t a b 变换器软开关条件分析3 4 3 3t a b 变换器设计指导3 5 3 3 1高频变压器漏感选择3 5 3 3 2 开关管应力分析3 5 3 3 3输入电感设计3 6 3 4 仿真验证3 6 3 5 本章小结3 8 第四章隔离式三全桥d c d c 变换器的建模与控制3 9 4 1电力电子电路建模概述3 9 4 2隔离式三全桥双向( t a b ) d c d c 变换器的建模3 9 4 2 1t a b 变换器的状态空间平均模型3 9 4 2 2t a b 变换器小信号模型推导4 7 4 2 3t a b 变换器小信号传递函数分析4 9 4 3t a b 变换器控制系统设计5 1 4 3 1t a b 变换器电流内环解耦设计5 2 4 3 2电流内环调节器设计5 3 4 3 3电压外环调节器设计5 4 4 4t a b 变换器仿真分析。5 6 4 4 1电流内环设计仿真研究5 6 4 4 2电压外环设计仿真研究5 8 4 5 本章小结5 9 第五章t a b 变换器硬软件设计和实验结果6 0 5 1 系统描述6 0 5 2t a b 变换器控制系统整体框图6 0 5 3t a b 变换器控制系统硬件设计6 l 5 3 1m o s f e t 驱动电路设计6 l 5 3 2直流电压采样电路6 2 5 3 3输入电感电流采样电路6 3 5 3 4过电压电流硬件保护6 3 5 4t a b 变换器控制系统软件设计6 4 5 4 1主程序模块设计一6 4 5 4 2中断程序模块设计6 4 5 4 3基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的p w m 脉冲生成方法6 5 5 5 实验结果6 7 第六章总结与展望7 0 6 1 全文总结7 0 6 2 进一步展望7 1 参考文献7 2 附录一三全桥d c d c 变换器各种模式下的状态空间平均模型7 7 附录二三全桥d c d c 变换器开环传递函数表达式值7 9 附录三三全桥d c d c 变换器状态空间平均模型m a t l a b s i m u l i n k 开环仿真框 图8 0 附录四三全桥d c d c 变换器实验平台8 l 攻读硕士学位期间发表的论文8 3 插图清单 图1 1具有混合储能装置的电动汽车驱动系统结构图3 图1 2多端口d c d c 变换器装置4 图1 3隔离式多端口d c d c 变换器连接结构图5 图1 4多端口d c d c 变换器的一些基本拓扑单元5 图1 5移相控制方式原理以及电压电流关系示意图6 图1 6p w m 移相控制原理以及电压电流关系图6 图1 7双输入电压电流型双半桥d c d c 变换器拓扑7 图1 8双电流型输入双半桥d c d c 变换器拓扑7 图1 9双电流型输入三半桥双向d c d c 变换器8 图1 1 0两输入电压型全桥d c d c 变换器9 图1 1 l通过p w m 移相控制在变压器绕组上生成的电压波形9 图1 1 2两输入电流型d c d c 变换器拓扑9 图2 1双全桥d c d c 变换器拓扑图 1 3 图2 2双全桥d c d c 变换器两侧电压波形图1 3 图2 3三全桥双向d c d c 基本拓扑结构1 8 图2 4三绕组变压器等效和简化模型1 9 图2 5三全桥( t a b ) 双向d c d c 变换器以原边为参考的等效电路2 0 图2 6三端口变换器能量流动图( 下标箭头方向代表能量流动方向) 2 0 图2 7正向( b o o s t ) 双内部模式下变压器原、副变电压电流工作波形 ：! ：! 图2 8正向模式下电压电流工作波形以及开关时序2 3 图2 9正向双内部工作模式下一个开关周期中各模态换流分析图2 8 图2 1 0反向模式下电压电流工作波形以及开关时序2 8 图3 1变压器三端口电压波形3 0 图3 2t a b 变换器在双内部模式下稳态工作仿真波形3 7 图3 3t a b 变换器在双内部模式下能量反向流动的稳态工作仿真波形3 7 图4 1变压器三端口电压波形图4 0 图4 2三全桥双向( t a b ) d c d c 变换器六种模式下的简化及等效电路4 2 图4 3隔离式三全桥双向d c d c 变换器小信号模型等效电路 4 9 图4 4t a b 变换器控制系统整体框图 5 2 图4 5电流内环解耦控制系统图 5 3 图4 6补偿后的电流内环等效回路增益函数的波特图 5 4 图4 7z 电流内环等效回路增益函数的波特图( 实线对应未校正，虚线对 应加校正环节) 5 4 图4 8简化后的电流内环等效结构图 5 5 图4 9 图4 1 0 图4 11 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1l 图5 1 2 电压外环校正前后的开环波特图 电压外环和电流内环控制系统 电流内环未加解耦网络控制系统仿真框图 电流内环解耦控制系统仿真框图 电流内环的跟随性能 电流内环耦合系统之间的影响 电流内环串联解耦网络日( s ) 后系统之间的影响 输出电压对负载变化的响应 输出电压对输入电压变化的响应 三全桥d c d c 变换器控制系统总体框图 6 1 5 5 5 6 5 6 5 7 5 7 5 8 5 8 5 9 5 9 h c p l - 3 1 2 0 光耦隔离芯片驱动电路图6 2 直流电压采样调理电路6 2 输入电感电流采样调理电路6 3 过电压保护电路6 4 主程序初始化流程框图6 4 定时器下溢中断服务程序流程框图6 5 基于d s p 的脉冲生成方法6 6 p w m 调制程序流程图6 7 超级电容器和负载侧正向升压( b o o s t ) 模式下的实验图6 8 超级电容器侧d = l 时的实验图6 8 输入侧电压电流波形图6 9 表格清单 表1 1各种储能技术比较2 表1 表2 表2 表3 表3 表4 表4 2蓄电池和超级电容器性能比较3 1燃料电池电动汽车驱动牵引系统的工作模式表 1 1 2d a b 变换器在不同的移向角下的工作模式1 4 1t a b 变换器八种不同模式下变压器漏感电流 3 0 2t a b 变换器仿真参数设置：3 6 1六种工作模式与开关管的对应关系 4 0 2 三全桥双向d c d c 变换器小信号模型等效电路相关参数表达式4 9 第一章绪论 1 1课题背景及意义 自2 0 世纪以来，以煤和石油为代表的化石能源的使用，给人类的文明和 科技带来了巨大的飞跃，同时也给人类赖以生存的环境造成了破坏。自7 0 年代， 人类开始意识到地球上煤和石油的储备是有限的。为减少能源损耗和降低环境 污染，各国都在采取一些措施，如提高能源利用率、改善能源结构和探索新能 源等，以实现经济、环境和能源的可持续发展与和谐发展。其中，发展新能源 和可再生能源已成为解决能源危机的有效方式。 1 1 1储能技术在新能源发电系统中的应用 可再生能源是指可以再生的能源总称，指除现有的有限能源如化石燃料和 核能等之外的生物质能源、太阳能、风能、光能、沼气等。这些能源资源丰富、 可以再生、对环境无污染，因此成为最有前景的能源。随着风力发电和光伏发 电在中国和世界范围内的迅速发展，也带来一定的难题和挑战。如风力发电系 统易受风速、风向的影响等 而光伏发电系统中，由于不同时间光照强度和环 境温度等不同，则光伏电池板输出电能将不稳定和连续，因此系统产生的电能 不可能一直满足用电负载的需求，负载稳定性问题增加，而且难以很好地跟随 负荷的变换。所以通常都需要储能装置对能量进行存储和转换，以进行能量调 节，稳定输出功率，保证系统供电的稳定性和连续性，提高系统的小信号稳定 性和可调度性。 综合储能装置在能源系统中的应用，储能装置应具有以下特点( 1 ) 、储能 装置应具有高效率，以减少损耗；( 2 ) 、储能装置的功率密度应大，动态响应速 度要快，以补偿系统所需的瞬时功率；( 3 ) 、储能装置在体积和重量方面应尽可 能小，具有较高的能量密度。 1 1 2各种储能技术简介 目前常用的储能技术有电池储能、超高速飞轮储能、超级电容储能、超导 磁储能，参看表1 1 。各种储能技术的特点心1 如下： 1 电池储能 目前作动力能源的电池有燃料电池和电化学蓄电池两类。燃料电池问世较 早，实质是一种电化学的能量生成装置，燃料的补充迅速且转换为电能的效率 高，其优点是比能量高，是电化学蓄电池的几倍到几十倍，缺点是比功率低， 难以实现能量回收。电化学蓄电池的能量特性好、密度高且循环效率高、寿命 长等优点。但蓄电池内部存在电化学反应过程，因此产生的热量会造成电池容 量衰减，因此不能长时间以高电流放电，此外，废旧的蓄电池易造成环境污染。 2 超高速飞轮储能 飞轮储能装置主要是利用高速旋转的飞轮存储动能，存储能量的大小与飞 轮的转动惯量和旋转速度有关。飞轮作为能量载体具有能量密度高、效率高、 寿命长、对环境无污染、能在较短的时间内以大电流充放电等优点。飞轮储能 的控制复杂，因此与其他储能技术相比，还未有很好的应用。 3 超级电容储能 超级电容器亦成为双电层电容器，是通过在在被电介质隔离的正负电极上 积聚电荷来存储电能。超级电容器作为储能元件，具有电容量很大、循环寿命 长、功率密度大、充放电速率快、充放电效率高、高低温性能好、能量管理简 单准确和环境友好等特点。 4 超导磁储 超导储能能是基于电感储能技术而发展起来的，超导磁储能分为低温超导 磁储能和高温超导磁储能两种。超导磁储能具有较高的能量密度、功率密度和 转换效率，对环境无污染且控制灵活等优点。但在成本、热稳定性以及安全性 等方面的众多问题有待解决。 表1 1各种储能技术比较 能量密度功率密度使用寿命效率 储能方法 e m w h k g p m w k g c y c l e1i f e ( h o u r ) ，7 ( ) 蓄电池 3 0 2 0 01 0 0 7 0 01 0 e 38 0 8 5 飞轮 5 5 01 8 0 1 8 0 0 1 0 e 6 9 0 9 5 超级电容器 2 57 0 0 0 1 8 0 0 0 1 0 e 6 9 5 超导磁 11 0 0 01 0 e 69 0 1 1 3混合储能技术的研究及应用 通过上述对电池储能、超高速飞轮储能、超级电容储能、超导磁储能的分 析可知，对于任何一种储能技术，都存在一定的缺点和应用限制。因此，在对 现有能源利用并且大力发展新能源的同时，为了更好的发挥各种储能元件的优 点，采用混合储能技术。即将不同的储能单元通过一定的电力变换装置组合起 来混合使用，组成混合储能系统。其优点在于： 1 可以实现对储能系统的多重要求； 2 可以将各种储能元件的优点得以充分发挥，延长储能元件的循环寿命； 根据以上对各种储能技术的分析可知，蓄电池和超级电容器在技术上具有 较强的互补性。蓄电池具有功率密度小，大功率放电能力不足，循环寿命短等 特点。而超级电容具有充电速度快、充放电循环次数高、无污染等特点。两者 性能比较如表1 2 所示。将两者混合使用，可充分发挥蓄电池和超级电容器的 优点，满足储能系统的要求。 2 表1 2蓄电池和超级电容器性能比较 铅酸蓄电池超级电容器 额定能量密度( w h k g ) 1 0 1 0 0l 1 0 额定功率密度( w k g ) 三全桥 正常行驶模式 池i ( t a b ) 双向 d c ，d c 变换器 电容器r v 一 向 一 上 动 b 划t i 一 模式3 ： 三 0 时，能量由吃：侧传送到负载侧，给负载供电，能量正向流动。当 1 3 唬， 将工作于超前外部 模式，此时功率由超级电容传送到负载侧，即侧向v ，侧流动，当唬， 0 】- o 乞 j名t 4 i； 】 6 。2 ( f 5 ) 0 1 i r ：( ) 0 ，l l ，2 o 五除乞乞乞 ： 、2 ( 岛) 0 t ：( 毛) 0 。l fi ： 、 ， 【：( ) o ， 入 jo 】 】3 l5 6 (c )滞后外部袒l 式 1 4 2 2 2 双全桥d c d c 变换器内部模式下的稳态性能分析 内部模式发生于当i 唬，l 时，变压器原、副边电压电流如表2 2 中的( a ) 图。从t o 到厶的半个周期内，v ，：使电流i r ：增加，而v ，3 使电流f ，：减少。其中 以= 坞，巧为：侧电压，巧为侧折算到原边的电压，t 为变压器的工作周 期。在一个周期内漏感电流是对称的，即： f 2 ( 岛) = 一：( t o + o s t ) = 一：( 岛) 2 ( f 1 ) = 一2 ( + o 5 丁) = 一：( ) ( 2 1 ) l 2 ( 乞) = 一i r 2 ( 乞+ o s t ) = 一j ，：( 岛) 由表2 2 中( a ) 变换器的工作模式可知，在一个开关周期内，d a b 变换器有 六种工作模式： 模式1 ：( t o 到) 以胪老( o ) ， 模式2 - ( 到t 2 ) 枞铲等陟( 纯创州吨) 模式3 ：( 乞到岛) 0 口一欢3 ( 2 1 ) 一唬3 0 一欢3 + 万d ( 2 3 ) 2 ( 口) = 二二；l p 一( 一欢3 + 万d ) 】+ f ( 一么3 + 石d ) 一唬3 + 万d p 石 ( 2 4 ) c t m - , r 2 3 模式4 ：( 毛到f 4 ) 2 ( 9 ) = 兰；l 一( 口一r r ) + i ( f p n 一红3 + 万d ) 石 o x + c p n 一欢3 ( 2 5 ) ( - o l r 2 3 模式5 ：( 到如) i r ：( 口) ：掣 口一( 石+ 一唬，) 】- i - f ( 万+ 一欢，) 万+ 一唬， o z + q ，n 一欢，+ 万d 6 0 l r 2 3 ( 2 6 ) 模式6 ：( 毛至0 气) 2 ( p ) = 【9 一( 万+ 一唬3 + 万d ) 】+ f ( 万+ 一欢3 + 石d ) 万+ 一欢3 + z d 0 2 x o ) - 。r 2 3 ( 2 - 7 ) 其中c o = 2 z t ，：，为两端口之间变压器的漏感。结合式( 2 一1 ) 可求得内部 模式下各时刻的电流值如下式( 2 8 ) ( i 唬，i ) ： ：挈= 1 2 万r r 协挑e 妒，3 i r 2 v 2 d o + e 饥d 秒 + r 3 嘞饥挑e i r ：屹肌亡x d ：v ：d o = 婴t o l 删一鸟一d ) 2 】 ( 2 - 1 2 ) ，2 3 7 1 4 1 6 滞后外部模式( 九 一) 各时刻电流值和稳态功率大小如下式( 2 13 ) 和 ( 2 - 1 4 ) ： 氓一( 0 ) 一掣巧+ 老k 她) ：f ( 铲驴一等圪一二2 t o l r 巧 z 反地n 1 她) ：f ( 噼一瓦z d 匕一盟掣巧 q 1 3 i ( t 3 ) = i ( t o + 0 5 t ) = - i ( t o ) f ( ) = f ( + 0 5 z ) = 一f ( ) f f f 、= i ( l + 0 5 r 、= - i ( l 、 稳态输出功率大小( 鲵 一 识3 ( 2 1 5 ) 唬3 一 2 2 3双全桥d c d c 变换器软开关性能分析 在对d a b 变换器各种模式分析之前，先对软开关概念进行说明。软开关包 括零电压( z v s ) 开通、零电流( z c s ) 关断。通过谐振过程，开关开通前电压先降 为零，或者关断前电流先降为零，就可以消除开关过程中电压、电流的重叠， 降低他们的变化率，从而大大减少甚至消除开关损耗和开关噪声，这样的电路 成为软开关电路。 使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声，这 种开通方式称为零电压开通( z v s ) ，简称零电压开关。使开关关断前流过其电流 为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪声，这种关断方式称为零电流关断 ( z c s ) ，简称零电流开关。 1 7 由内部模式( 例 2 ( 岛) = i ( t 2 + 0 5 t ) = 一i ( t 2 ) 或缈 0 ，日2 o ，昱3 0 ， 即蓄电池和超级电容共同向负载供电，同时蓄电池向超级电容充电。反向b u c k 模式时日， o ，昱， c a b ) 3 外外部模式( i 办：i ，i 么，i ) 4 外内部模式( i 锄2 i ，i 识3 i ) 根据移向角磊，、锄，和么，的正负，可确定三个端口之间功率流动的方向。 即变换器的b o o s t 升压和b u c k 降压两种情况。根据移向角旃，、破：和欢，和占空 比d 的大小又可确定t a b 变换器的工作模式。本文以双内部模式为例，对三全 桥( t a b ) d c d c 变换器的换流过程和软开关实现进行分析。 2 4 2三全桥变换器正向升压( b o o s t ) 情况下换流分析 如图2 7 为t a b 变换器在双内部工作模式下的稳态电压电流波形，图中显 示了t a b 变换器以变压器原边为参考时，两侧理想的电压电流波形。 、 协 _ 一k 一 、 l 口厂 一 l i l li ， 捌 ： _ l i i i i 。r 一 i - 、绷 i l l ： 、 、! w 歹 i l l ： 衫 、； l j 冷y 菠 l l 个；。 i 一 i f i， i 国， i lijil，j-jl! i ，f t 图2 7正向( b o o s t ) 双内部模式下变压器原、副变电压电流工作波形 从图中可以看出该变换器的能量传递原理，咋。、v ，：为变压器的原边，即低 压侧。v ，为负载侧，即高压侧。通过控制开关管的导通时刻来改变变压器原、 副变的电压大小和波形，控制能量传递的大小。 在对t a b 变换器的换流过程进行分析之前，认为： 1 t a b 变换器工作于稳定状态； 2 t a b 变换器电路中的m o s f e t 管和其反并联二极管均为理想器件； 3 开关管两侧并联的二极管为m o s f e t 管相对应的寄生二极管，所并联的 电容为m o s f e t 管结电容和外并联电容之和； 4 高频变压器z 的激励电感要足够大，激励电流很小，不影响功率流动的 大小； 5 取d = o 5 ，蓄电池侧电压r 、超级电容侧电压、负载输出电压均 保持恒定； 6 厶，：，为变压器漏感和外接串联小电感之和； t a b 变换器以原边为参考的等效电路如上图2 5 所示，在正向b o o s t 模式 下，蓄电池和超级电容一起给负载供电。图2 8 为一个开关周期内，变压器原、 副边的电压和电流波形。 k l一典点 一 。l”婶 、二lil io f 入 i 一 i l j|一 l i - 三 l j r r l i l l 国t i i i i l i l i ! ：ix!z ：ii i i 、l - l，i 拼 上 ： ： ： ： 一 ； l il 1 ：“： ： ：l 矿、 、0 八：；：；! ltl ， 黼一曩 ： 宙厂 i n ；爪 ；| | | | i li 1i iri ! ：i! li o i ilo 、 i i ；： l m 童m l i ii i l i i l 抖il 1 ，。；i i ， l i n ： ： ii 一一1 li 瓢卜州 ：