PWM加相移復合控制雙向DC/DC變換器優(yōu)化設(shè)計
關(guān)鍵詞:相移控制:PWM控制:雙向直流變換器
O 引言
雙向DC/DC變換器可廣泛應用于直流不停電電源系統(tǒng)、航滅電源系統(tǒng)、電動汽車等應用場合。傳統(tǒng)的相移控制雙向DC/DC變換器不需要輔助開關(guān)就可以實現(xiàn)ZVS軟開關(guān)。當輸入電壓和輸出電壓的幅值不匹配時,相移控制雙向DC/DC變換器有較大的電流應力而且軟開關(guān)范圍會減小。PWM加相移復合控制雙向DC/DC變換器解決了上述問題。
1 PWM加相移復合控制的工作原理
圖l是相移控制的雙向DC/DC變換器。在隔離變壓器兩側(cè)各有兩個開關(guān)。開關(guān)S1(S3)和S2(S4)是互補工作的,占空比是0.5,電感L1是能量傳輸器件。圖2是相移控制的概念圖。圖4(a)是當?shù)刃л斎腚妷簐ab幅值等于等效輸出電壓Vcd幅值,即V1/2=nV2,n=Np:Ns是變壓器變比時相移控制的原理波形圖。當?shù)刃л斎腚妷簐ab幅值不等于等效輸出電壓vcd幅值時,圖4(b)是V1/2nV2時相移控制的原理波形圖。當?shù)刃л斎腚妷簐ab幅值不等于等效輸出電壓vcd幅值時,變換器的電流應力和電流有效值變大,變換器傳遞無功也增大,這些都增大了變換器的電流應力和通態(tài)損耗。圖3是PWM加相移復合控制雙向DC/DC變換器的概念圖。占空比的PWM控制相當于在等效輸入電壓vab和等效輸出電壓vcd加入了一個電子變壓器。圖4(c)是PWM加相移復合控制雙向DC/DC變換器的波形圖。與相移控制相比,PWM加相移復合控制可以減小變換器的電流應力和電流有效值,因此變換器的效率可以有所提高。本文提出了5 kW PWM加相移復合控制雙向DC/DC變換器的優(yōu)化沒計和控制方法?;陂_關(guān)損耗模型,不同開關(guān)MOSFET或IGBT和不同輸入電壓等級42V或380V的電路方案可以比較。具有最小開關(guān)損耗的電路方案可以提出。根據(jù)電路的工作原理,一種新的控制方案可以實現(xiàn)PWM加相移的復合控制。
2 變換器的開關(guān)損耗分析
PWM加相移復合控制雙向DC/DC變換器如圖1所示,開關(guān)S1(S3)和S2(S4)是互補工作,S1的占空比等于S3的占空比,即D=nV2/V1,S2的占空比等于S4的占空比。當輸入電壓和輸出電壓改變時,占空比也隨之改變。當S1(S2)的驅(qū)動脈沖領(lǐng)先于S3(S4)的驅(qū)動脈沖,變換器工作于正向模式,能量由V1流向V2。當S1(S2)的驅(qū)動脈沖落后于S3(S4),變換器工作于反向模式,能量V2流向V1。L1是變壓器漏感和外串小電感之和,是能量傳輸器件。圖5是一個開關(guān)周期中,正向模式工作下的關(guān)鍵波形。
為了設(shè)計最小開關(guān)損耗的PWM加相移復合控制雙向DC/DC變換器,本文分析了基于不同器件MOSFET或IGBT,不同輸入電壓等級42V或380V的開關(guān)損耗。
在圖6中,vgs1是開關(guān)S1的驅(qū)動脈沖,vds1是開關(guān)S1漏源電壓,vD1是S1反并聯(lián)二極管的電壓波形,iS1是開關(guān)S1的電流波形,iD1是開關(guān)S1反并聯(lián)二極管的電流波形。TD1on為S1體內(nèi)二極管的導通時間。tdead12為S1和S2間的死區(qū)時間。變換器的所有開關(guān)可以工作在ZVS下,開通損耗可以忽略。開關(guān)的損耗包括通態(tài)損耗和關(guān)斷損耗。通態(tài)損耗由反并聯(lián)二極管的通態(tài)損耗PD1和主開關(guān)的通態(tài)損耗PS1on組成。當開關(guān)關(guān)斷時,假設(shè)開關(guān)的并聯(lián)電容被恒定的電感電流線性充放電,開關(guān)的端電壓線性下降。以開關(guān)S1是MOSFET情況為例,計算其通態(tài)損耗和關(guān)斷損耗。
S1的導通時間是tc到t1,其等效電阻為RS1。通態(tài)損耗是電流流過其通態(tài)電阻產(chǎn)生的損耗。
S1反并聯(lián)二極管的導通時間是tb到tc,其通態(tài)損耗是電壓和電流的積分,可按式(2)計算。
S1在t1時刻關(guān)斷,到了t2時刻電流下降到O。關(guān)斷損耗足電壓和電流的積分,可按式(3)計算。
設(shè)定仿真參數(shù):開關(guān)頻率f=100 kHz,移相角φ=45,占空比D=nV2/V1=O.5。輸出功率Pout=5kW。表1給出了4種不同器件和不同輸入電壓等級的電路設(shè)計方案。
如圖7所示為變換器工作在(5kW)正向模式下,4種電路設(shè)計方案的效率比較和正向輸出5kW時各個開關(guān)的損耗直方圖。損耗直方圖從左到右依次為開關(guān)S1、S2、S3、S4的通態(tài)損耗、關(guān)斷損耗、總損耗。
由此可以看出,器件的通態(tài)損耗是主要的,不同的器件和不同輸入電壓等級構(gòu)成的電路設(shè)計方案對效率有很大影響。開關(guān)損耗最小的是電路A和電路D。但是電路D中,開關(guān)損耗主要由S4組成,開關(guān)S4的損耗在5kW達到了150W,這對于開關(guān)S4的熱沒計帶來很大問題。與之相比,電路A中,開關(guān)損耗主要由S1和S2平均組成,這對電路的工作是有利的。因此電路設(shè)計方案A是優(yōu)化的。
3 雙向DC/DC變換器的控制框圖
根據(jù)變換器的原理,本文提出了一種新的控制方案,如圖8所示。電路的正向和反向工作方式由正向/反向控制信號控制兩個復用器(MUX)切換。當電路正向工作時,反饋電壓電流分別是輸出電壓和輸出電流。電壓外環(huán)經(jīng)過PI后作為電流的參考,電流內(nèi)環(huán)的誤差經(jīng)過PI后調(diào)節(jié)電路的移相角。電路的占空比由輸入電壓和輸出電壓經(jīng)過運算,即D=nV2/V1得到。
4 結(jié)語
本文分析了不同器件和輸入電壓對電路效率的影響。分析表明,Sl和S2用MOSFET,S3和S4用IGBT,低壓42V放在輸入側(cè)是優(yōu)化的方案。本文提出了一種新的控制方法,可以同時調(diào)節(jié)電路的占空比和移相角。
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