双向直流直流变换器(原创)

1、双向直流双向直流- -直流变换器直流变换器报告人：刘士华1双向直流变换器及其分类2正极性输出的双向buck/boost直流变换器3Simulink仿真4接下的任务目录双向直流变换器双向直流变换器直流变换器只能将能量从一个方向传到另一个方向，双向直流直流变换器只能将能量从一个方向传到另一个方向，双向直流变换器则可实现能量的双向传输变换器则可实现能量的双向传输。双向双向DC/DCDC/DC电路搭配不同的电路搭配不同的能量储存单元能量储存单元, ,不但能够提高能量储存系统的灵活性和效率不但能够提高能量储存系统的灵活性和效率, ,同同时也改善了系统的动态性时也改善了系统的动态性能能。双向双向DCDC/

2、 /DCDC变换器正逐步被使用在各种能量变换器正逐步被使用在各种能量系统中系统中, ,包括混合动包括混合动力力车车、燃料电池系统、可再生能源燃料电池系统、可再生能源系统系统等。等。例如例如具有双向功能具有双向功能的充电器在供电网正常时用于向蓄电池充电，一旦供电网供电的充电器在供电网正常时用于向蓄电池充电，一旦供电网供电中断，该电器可将电池电能返回电网，向电网短时应急供电。中断，该电器可将电池电能返回电网，向电网短时应急供电。控制直流电动机的变换器也应是双向的，电动机工作时，将电控制直流电动机的变换器也应是双向的，电动机工作时，将电能从电源送到电动机，电动机旋转，带动设备工作，制动时电能从电源送

3、到电动机，电动机旋转，带动设备工作，制动时电机能量通过变换器返回电源。机能量通过变换器返回电源。双向直流变换器及其分类在电动车的应用中在电动车的应用中, ,双向双向DC/DCDC/DC变换变换器器搭高搭高能量密度的能量储存单元能量密度的能量储存单元( (如如超级电容超级电容),),可以吸收电机制动的可以吸收电机制动的能能量。同时量。同时, ,当当电动启动、加速电动启动、加速、爬坡爬坡时时, ,需要较大的电流需要较大的电流, ,双向双向DCOCDCOC变换变换器又可以从能量储存单元中取出能器又可以从能量储存单元中取出能量量, ,将将其变换至额定的母线电压其变换至额定的母线电压, ,供供电动车电动

4、车使用。一使用。一个典型的具有超级个典型的具有超级电容的电容的电动车电动车能量系统结构如图能量系统结构如图双向直流变换器及其分类大部分的双向大部分的双向DCDC电路都可以用电路都可以用图所图所示的框图示的框图描述，根据描述，根据能量存储单元能量存储单元位置位置的不同的不同, ,变换器可以工作于变换器可以工作于buckbuck模式或者模式或者boostboost模式。模式。当当能量存储单元位于能量存储单元位于低压侧低压侧, ,变换器起到将其输出电压升高的作用变换器起到将其输出电压升高的作用, ,即即工作于工作于boostboost模式模式; ;当当能量储存单元位于高压侧能量储存单元位于高压侧,

5、,变换器将其输出电压降低变换器将其输出电压降低, ,工作于工作于buckbuck模模式。根据式。根据输出特性的要求输出特性的要求, ,双向双向DC/DCDC/DC变换器可以工作于电压反馈或者变换器可以工作于电压反馈或者电流反馈模式电流反馈模式双向DC的能量流动双向直流变换器及其分类双向直流变换器的分类双向直流变换器的分类双向直流变换器不隔离的双向直流变换器隔离的双向直流变换器移向控制双向直流变换器组合式双向直流变换器双向直流变换器及其分类双向单向？双向直流变换器的拓扑结构多是在已有的单向直流变换器的基础上,通过为电路中的开关元件和二极管分别并联反向二极管和开关元件从而实现能量的双向流动。变换双

6、向直流变换器及其分类变换变换6 6种基本斩波电路：种基本斩波电路：降压斩波电路降压斩波电路、升压升压斩波斩波电路电路、 升降压斩升降压斩波电路、波电路、CukCuk斩波电路斩波电路、 Zeta Zeta斩波斩波电路和电路和SepicSepic斩波电路斩波电路。双向直流变换器及其分类双向buck-boost直流变换器电流双向直流变换器，或称为电流两象限直流变换器，即在以电压为电流双向直流变换器，或称为电流两象限直流变换器，即在以电压为纵坐标和电流为横坐标的平面中，工作于第一和第二象限。纵坐标和电流为横坐标的平面中，工作于第一和第二象限。另一种为电压双向直流变换器，其输出电压的极性可正可负，但电流

7、另一种为电压双向直流变换器，其输出电压的极性可正可负，但电流方向不变，即该类变换器仅工作在电压和电流坐标系的第一和第四象方向不变，即该类变换器仅工作在电压和电流坐标系的第一和第四象限。限。电压电流方向均可改变的直流变换器常称四象限直流变换器，它可在电压电流方向均可改变的直流变换器常称四象限直流变换器，它可在电压和电流坐标平面的四个象限内工作。电压和电流坐标平面的四个象限内工作。双向直流变换器及其分类Buck-boost双向直流变换器双向buck/boost直流变换器6 6种单管直流变换器在它们的开关管上反并二极管，在二极管上反并开关种单管直流变换器在它们的开关管上反并二极管，在二极管上反并开关

8、管即可构成管即可构成4 4种不隔离的双向直流变换种不隔离的双向直流变换 器，即器，即buck-buck-boost,buckboost,buck/boost/boost，cukecuke和和SepicSepic-zeta-zeta双向直流变换器。双向直流变换器。BDC BDC 是典型的是典型的“一机两用一机两用”设备，有重要的研究价值，设备，有重要的研究价值，目前目前 BDC BDC 的研究主要的研究主要集中集中在电路拓扑和控制两个方在电路拓扑和控制两个方面面。目前。目前研究的几种研究的几种 BDC BDC 拓扑拓扑存在存在下面的几个缺陷下面的几个缺陷：隔离隔离型型 Buck/Boost BD

9、C Buck/Boost BDC 因含有的隔离型因含有的隔离型 Boost Boost 变变换器，换器，存在存在开关管电压尖峰大的问题，难以抑制开关管电压尖峰大的问题，难以抑制；CukCuk 型型 BDC BDC 和和 SepicSepic/Zeta/Zeta型型 BDC BDC 由于其电路拓扑由于其电路拓扑比较复杂，且能量传输过程环节较多，实际应用较少。比较复杂，且能量传输过程环节较多，实际应用较少。 19941994年澳大利亚年澳大利亚Felix Felix A.HimmelstossA.Himmelstoss在在PESC94PESC94上上发表文章，总结了不隔离双向发表文章，总结了不隔离

10、双向直流直流变换器的变换器的 拓扑结拓扑结构。构。 由于由于buck-boostbuck-boost双向直流变换器输出双向直流变换器输出输入电压输入电压极性反向，不适合于电动车使用极性反向，不适合于电动车使用，F.CaricchiF.Caricchi提出提出了了一种一种主电路如图所示的主电路如图所示的buck-boostbuck-boost级级联型联型双向直流双向直流变变换器，该变换器输出输入的负端共用换器，该变换器输出输入的负端共用。级联型buck-boost双向直流变换器正极性输出的双向buck/boost直流变换器双向直流变换器工作原理双向直流变换器工作原理双向直流变换电路由4个带续流二

11、极管的开关管VT1VT4，2个电容C1，C2和一个电感L组成。该电路有两种能量传递方向:U1 U2，U2 U1。这里定义U1 U2为放电模式,U2 U1为充电模式。四种工作状态:U1 U2放电模式,当U1 U2时,开关管VT1工作,其他开关管全部关断,通过调节VT1的占空比D来调节输出; U1 U2放电模式,当U1U1时,开关管VT3工作,其他开关管全部关断,通过调节VT3的占空比D来调节输出; U2 U1充电模式,当U2U1时,开关管VT2工作,VT3恒通,其他开关管全部关断,通过调节VT2的占空比D来调节输出。正极性输出的双向buck/boost直流变换器双向正极性双向正极性Buck-Bo

12、ostBuck-Boost变换器电感变换器电感L L两端皆为半桥结构，整个拓扑是对称结构两端皆为半桥结构，整个拓扑是对称结构, ,两种能量传递方向下两种能量传递方向下, ,变换器的调节方式其实是一样。即工作状态、工作变换器的调节方式其实是一样。即工作状态、工作原理一致原理一致, ,达到降压作状态、工作原理一致达到降压作状态、工作原理一致, ,达到升压效果。这里只分析达到升压效果。这里只分析能量从能量从U1U1传递到传递到U2U2时的和两种状态，也只对这两种状态进行仿真。时的和两种状态，也只对这两种状态进行仿真。工作状态工作状态: :开关管开关管VT1VT1工作工作, ,其他开关管全部关断。电感

13、电流连续时电路有两种其他开关管全部关断。电感电流连续时电路有两种开关状态。开关状态。开关开关状态状态1 T1 Tonon期间期间:如如图图(a(a) )所示所示, ,此时开关管此时开关管VT1VT1导通导通, ,其他开关管全部截止。其他开关管全部截止。二极管二极管D D3 3向导向导通通, ,其他二极管全部截止其他二极管全部截止。开关状态开关状态2 2 T Toffoff期间期间:如如图图 ( (b)b)所示所示, ,此时开关管此时开关管VT1VT1截止截止, ,二极管二极管D D2 2正正向导通向导通, ,电感电感电流电流i iL L一一不能突变不能突变, ,而是通过而是通过二极管二极管D

14、D2 2 D D3 3给负载给负载供电。这时候供电。这时候, ,电感两端电电感两端电压为压为-U2,-U2,电感电感电流电流i iL L线性线性减小。减小。正极性输出的双向buck/boost直流变换器工作状态工作状态: :开关开关管管VT4VT4工作工作,VT1,VT1恒通恒通, ,其他开关管全部关断。电感电流连续时其他开关管全部关断。电感电流连续时电路有电路有两两种开关状态。种开关状态。开关开关状态状态1 1 T Tonon期间期间:如如图图(a(a) )所示所示, ,此时开关此时开关管管VT4VT4导通导通, ,二极管二极管D D3 3截止截止,U1,U1给给电感电感L L充电充电, ,

15、电感两端电压电感两端电压为为U1U1电感电流线电感电流线i iL L线性上升线性上升开关状态开关状态2 2 T Toffoff期间期间:如如图图 ( (b)b)所示所示, ,此时开关管此时开关管VT1VT1截止截止, ,二极管二极管D D3 3正正向导向导通通, ,电感电流不能突变电感电流不能突变, ,而是而是跟跟U1U1一起经过一起经过D D3 3给给负载供电负载供电, ,同时同时给电容给电容C2C2充电。充电。电感两端电压电感两端电压为为U1-U2,U1-U2,由由U1U2,U1U2,则电感则电感电流电流i iL L线性线性降低。降低。正极性输出的双向buck/boost直流变换器主要电路

16、参数计算由于两种能量传递方向下,变换器的调节方式是一样。即工作状态、工作原理一致,达到降压效果;工作状态、工作原理一致,达到升压效果所以这単。只作能量由U1传递到U2时的和两种工作状态下的参数计算。Simulink仿真Simulink仿真为了为了验证确定验证确定的双向直流变换器主电路参数的双向直流变换器主电路参数, ,本文采用本文采用MATLABSIMUUNKMATLABSIMUUNK仿真软件仿真软件, ,分别对升压和降压两种情况进行分别对升压和降压两种情况进行仿真验证。由于仿真验证。由于充放电工作状态充放电工作状态一样一样, ,这里只仿真放电模这里只仿真放电模式的工作式的工作情况。情况。如图双向如图双向直流变换器仿真图直流变换器仿真图, ,电感电感L L取值取值200uH200uH、电容、电容C1C1，C2C2都取都取1500uF 1500uF 开关开关频率频率20kHZ20kHZ、负载、负载R R为为1 1欧姆。欧姆。升压状态模式仿真升压状态模式仿真: :输入电压输入电压U1U1为为44V44V，VTlVTl直通直通, ,保持占空比为保持占空比为1,VT4 1,VT4 占空比占空比16%16%得到输出电压波得到输