推挽全橋雙向直流變換器的研究

1 引言

隨著環(huán)境污染的日益嚴(yán)重和新能源的開發(fā)，雙向直流變換器得到了越來越廣泛的應(yīng)用，像直流不停電電源系統(tǒng)，航天電源系統(tǒng)、電動(dòng)汽車等場(chǎng)合都應(yīng)用到了雙向直流變換器。越來越多的雙向直流變換器拓?fù)湟脖惶岢?，不隔離的雙向直流變換器有Bi Buck/Boost、Bi Buck-Boost、Bi Cuk、 Bi Sepic-Zeta;隔離式的雙向直流變換器有正激、反激、推挽和橋式等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。不同的拓?fù)鋵?duì)應(yīng)于不同的應(yīng)用場(chǎng)合，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。推挽全橋雙向直流變換器是由全橋拓?fù)浼尤ㄕ餮葑兌鴣?。推挽?cè)為電流型，輸入由蓄電池供給，全橋側(cè)為電壓型，輸入接在直流高壓母線上。此雙向直流變換器拓?fù)溥m用在電壓傳輸比較大、傳輸功率較高的場(chǎng)合。

本文分析了推挽全橋雙向直流變換器的工作原理，通過兩種工作模式的分析，理論上證明了此拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)的可行性，并對(duì)推挽側(cè)開關(guān)管上電壓尖峰形成原因進(jìn)行了分析，提出了解決方法，在文章的最后給出了仿真波形和實(shí)驗(yàn)波形。

2 工作原理

圖1為推挽全橋雙向DC/DC變換器原理圖。圖2給出了該變換器的主要波形。變換器原副邊的電氣隔離是通過變壓器來實(shí)現(xiàn)的，原邊為電流型推挽電路，副邊為全橋電路，該變換器有兩種工作模式：(1)升壓模式：在這種工作模式下S1 、S2 作為開關(guān)管工作; S3，S4 ，S5 ，S6 作為同步整流管工作，整流方式為全橋整流，這種整流方式適用于輸出電壓比較高，輸出電流比較小的場(chǎng)合。由于電感L 的存在 S1、S2 的占空比必須大于0.5。(2)降壓模式：在這種工作模式下 S3， S4， S5，S6 作為開關(guān)管工作，S1 、S2 作為同步整流管工作，整流方式為全波整流。分析前，作出如下假設(shè)：

所有開關(guān)管、二極管均為理想器件;

所有電感、電容、變壓器均為理想元件;

，

;

2.1 升壓工作模式

在升壓工作模式下，原邊輸入為電流型推挽電路，副邊輸出為全橋整流電路。S1 ，S2 作為開關(guān)管工作，S3 ， S4， S5，S6 作為同步整流管工作。電感電流工作于連續(xù)模式。

圖1 推挽全橋雙向DC/DC變換器

圖2推挽全橋雙向DC/DC變換器電路波形

以一個(gè)開關(guān)周期 T為例：

2.2 降壓工作模式

在降壓工作模式下，輸入為全橋電路，輸出為全波整流電路。 S3， S4， S5，S6 作為開關(guān)管工作， S1， S2作為同步整流管工作。

以一個(gè)開關(guān)周期 T為例：

由此可見，當(dāng) 與( ， ); 與( ， )互補(bǔ)工作時(shí)，輸入輸出電壓關(guān)系是相同的，變換器具有很好的可逆性。

3 緩沖電路

推挽全橋雙向直流變換器推挽側(cè)的兩個(gè)開關(guān)管在關(guān)斷時(shí)有較大的電壓尖峰。這是由于電感 和漏感的存在。因?yàn)閮晒艿恼伎毡却笥?.5，所以存在共同的導(dǎo)通時(shí)間，當(dāng)這段時(shí)間結(jié)束關(guān)斷其中一個(gè)開關(guān)管時(shí)，會(huì)引起很大的 ，形成較大的電壓尖峰加在開關(guān)管上。而全橋側(cè)由于是電壓型且不存在短路問題，所以沒有電壓尖峰的問題?；谝陨蠁栴}就需要采用合適的緩沖電路來緩解電壓尖峰問題。

3.1 緩沖電路分析與選擇

緩沖電路分為有損緩沖電路和無損緩沖電路兩類，有損緩沖電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于設(shè)計(jì)參數(shù)，例如RCD緩沖電路;無損緩沖電路雖不會(huì)造成電路的損失，但一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參數(shù)設(shè)計(jì)不易，有時(shí)還會(huì)影響開關(guān)管的選擇，例如LCD緩沖電路?；谝陨显颍瑳Q定采用LCD有損緩沖電路。

3.2 RCD緩沖電路

圖3是采用了RCD緩沖電路的推挽全橋雙向直流變換器。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，緩沖電路中的D迅速導(dǎo)通給C充電，由于電容的特性，開關(guān)管DS間的電壓緩慢上升。當(dāng)開關(guān)管開通時(shí)，C上的能量再通過開關(guān)管和R消耗掉。C和R的參數(shù)設(shè)計(jì)十分重要，C選的過小會(huì)影響效果，過大會(huì)加大損耗，R的設(shè)計(jì)取決于C，要使C上的能量在開關(guān)管開通時(shí)全部放掉。一般

(3)

公式中 為開關(guān)管最小導(dǎo)通時(shí)間。

圖3 帶RCD緩沖電路的推挽全橋雙向

DC/DC變換器

圖四是未加緩沖電路和加了RCD緩沖電路的推挽側(cè)開關(guān)管 的DS間的仿真波形。由仿真波形可看出未加緩沖電路時(shí)電壓尖峰大小幾乎為電壓平臺(tái)的四倍，加了緩沖電路后電壓尖峰降低為平臺(tái)的兩倍。緩沖效果還是比較好的。

圖4 開關(guān)管 的DS間的仿真波形

4 電路主要參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1 高頻變壓器設(shè)計(jì)：

圖5所示為開環(huán)升壓模式實(shí)驗(yàn)波形，圖6為開環(huán)降壓模式實(shí)驗(yàn)波形，由圖可以看出加了RCD緩沖電路的推挽全橋雙向DC/DC變換器推挽側(cè)開關(guān)管在關(guān)斷時(shí)有較大的電壓尖峰，約為電流平臺(tái)的兩倍與仿真結(jié)果一致，同時(shí)該電路很好的實(shí)現(xiàn)了電流的雙向流動(dòng)，與理論分析一致。

6 結(jié)語

本文分析了推挽全橋雙向DC/DC變換器，該變換器適用于電壓傳輸比較大，需要電氣隔離的大功率場(chǎng)合，推挽側(cè)開關(guān)管電壓尖峰的問題可通過緩沖電路得到緩解。

參考文獻(xiàn)

[1]丁道宏,電力電子技術(shù),航空工業(yè)出版社,1999.

[2]阮新波,嚴(yán)仰光,直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù),科學(xué)出版社,2000.

[3]Wang K, Lin C Y. Zhu L, et al. Bi-directional DC to DC Converters for Fuel Cell Systems[J ]. IEEE Trans. on P E, 1998: 47～51.

[4] Jain M et al. Analysis of a Bi-directional DC/ DC Converter Topology for Low Power Application[C]. Proc. of CCECE’ 97. 1997: 548～551.

[5]Ray B. Bidirectional DC/DC Power Conver -sion Using Constant-frequency Quasi-resona -nt Topology[C]. Proc. Of ISCAS’93,1993:2347~2350.