双向全桥直流变换器的分析模型与关键技术的研究

双向全桥直流变换器的分析模型与关键技术的研究随着新能源产业的快速发展,电池储能系统成为新能源电力系统的重要组成部分,双向直流变换器是该系统的核心,其性能优劣直接影响了新能源电力系统的变换效率与系统可靠。由于储能电池在充放电过程中因内阻变化而产生较大的输出电压变化,且电池本身因充电或放电同样产生输出电压的变化,使得目前的双向直流变换器无法实现宽电压变化范围内的高效率和高可靠变换。目前大多数双向变换器由单向变换器演变而来,结构上不对称,反向变换特性远逊于正向变换特性,整体性能不佳。双向全桥直流变换器则属于双向直流变换器中结构较为简洁的一种变换器,该变换器在结构上完全对称,功率传输方向可以实现无缝切换。相比于其它双向变换器等结构,其正向工作和反向工作都有非常好的升降压能力,成本低,可以实现高效的能量传输。但是这种变换器在电压传输比偏离变压器匝比时输入输出环流增大、软开关丢失,从而电流应力变高,整体性能恶化。除此之外,该变换器还存在重载环路响应慢、调制算法复杂、存在直流偏置等问题。针对双向全桥变换器所存在的上述问题,本文着重研究双向全桥变换器在宽电压变化范围内的特性,通过研究其变换效率模型和小信号模型、开关算法及直流偏置补偿方法等,从而提高变换整体效率等性能指标。论文主要研究内容和创新点总结如下:(1)提出了双向全桥直流变换器的效率模型。传统的双向全桥变换器效率计算依赖于仿真软件，通过使用P-spice中厂商提供的器件模型和变压器模型可以对双向全桥变换器的效率进行计算分析。但是P-spice单次仿真时间过长且容易出现不收敛的情况，并且在重载时无法考虑温度的反向影响,对于调制算法的优化与系统的设计极为不利。所提出的效率模型采用等效寄生电阻的概念计算变换器关键电流/电压波形,在计算出电流/电压波形基础上,进一步通过微积分方法计算磁芯损耗和开关损耗,并且考虑了温度环对于损耗的反向作用。该模型在保证计算精度在20%到100%负载下达到96%以上的同时其计算时间减小为P-spice计算时间的1/100。通过该效率模型可以在设计初期指导关键器件的选型,算法的选择与优化,从而缩短开发周期。(2)提出了基于一种行为类比方式的双向全桥变换器功率级等效小信号模型传统的双向全桥变换器的小信号模型在建立状态方程后通过采用谐波分解的方式来获得,其计算结果依赖于所保留的谐波次数。这样的方式在计算精度和复杂度上难以折中,并且建模过程复杂。所提出的模型采用行为类比的方式建立了在行为上与双向全桥直流变换器功率级一致的等效数学模型,该数学模型完整地描述了双向全桥直流变换器的动态特性。基于此等效数学模型,本文进一步得出了双向全桥变换器小信号模型。与实测对比,该小信号模型在1/2开关频率以下误差在3%以内。该小信号模型适用于所有双向全桥变换器的调制算法,为双向全桥直流变换器的环路设计与控制算法选择提供了理论支持。(3)提出了简化零电压开关调制算法。传统的调制算法中,基波占空比调制算法展现出最为优异的综合性能。该算法ZVS区域宽、电流环流小、功率传输范围大。但是由于该算法的推导采用了基波近似的方法,其导出结果包含多次反三角函数计算。复杂的反三角函数计算导致该算法计算周期过长而必须使用查表计算,而查表计算消耗大量内存使得成本无法降低。所提出的优化零电压开关算法在保证效率特性与基波占空比算法基本持平的同时,将单次计算的计算量从394个时钟周期减小到了47个时钟周期,降低了对于控制芯片资源的使用。(4)提出了基于占空比数学模型的直流偏置补偿的方法。以往的研究仅给出了采用环路控制消除直流偏置的概念。本文进一步通过对双向全桥变换器直流偏置产生的机理进行分析建模,得出了双向全桥直流变换器功率级中占空比对于直流偏置影响的数学模型,基于该模型提出了直流电流偏置补偿的方法。实测结果表明采用该直流偏置补偿后的系统提升了1〜2%的整体效率。(5)提出了一种最小磁芯选择和励磁线选型的变压器磁集成设计方法。本文首先对两种不同绕制方式的变压器漏感进行了数学建模,通过该数学模型与变压器励磁电感的数学模型结合,得出了双向全桥直流变换器中最小磁芯选择的数学方法。其次将Dowell给出的涡流损耗计算公式进行修正