數(shù)字控制雙向半橋DC-DC變換器的設計
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目錄 0 引言 1 1 概述 2 1.1 研究內(nèi)容 2 1.2 雙向DC-DC變換器的原理 2 1.3 雙向DC-DC變換器的應用 3 1.3.1 不停電電源系統(tǒng) 3 1.3.2 新能源發(fā)電系統(tǒng) 4 1.3.3 電動汽車、各種重型車輛的車載電源系統(tǒng) 5 1.3.4 蓄電池能量儲備系統(tǒng) 7 1.4 雙向DC-DC變換器軟開關技術現(xiàn)狀 7 1.5 本論文的目的和主要工作 11 2 雙向半橋DC-DC變換器的工作原理 14 2.1 引言 14 2.2 雙向DC-DC變換器的工作原理 14 3參數(shù)設計 24 3.1 變壓器漏感的設計 24 3.2 輸入電感的設計 26 3.3 開關管應力 26 3.4 隔直電容的選取 26 3.5 半橋臂開關管并聯(lián)電容的選取 27 4 雙向半橋DC-DC變換器的仿真分析 28 4.1 引言 28 4.2 MATLAB簡介 28 4.3 閉環(huán)控制 28 4.4 仿真分析 30 5 雙向半橋實現(xiàn)研究 35 5.1 DSP芯片介紹 35 5.1.1 DSP芯片的發(fā)展 35 5.1.2 TMS320LF2407A 芯片的介紹 36 5.2控制電路原理 37 5.3電源電路 39 5.4采樣電路 40 5.5通訊電路 42 5.6保護電路 42 5.7 DC/DC變換器的驅動電路 43 6 控制系統(tǒng)軟件設計 45 6.1 主程序設計 45 6.2 中斷服務程序設計 46 6.3 基于DSP的直接移相脈沖生成方法 47 7 技術經(jīng)濟性分析 49 8 總結 50 致謝 51 參考文獻 52 附錄A 54 附錄B 64 **大學畢業(yè)設計（論文） 0 引言 電力電子技術是研究電能變換原理與變換裝置的綜合性學科，是電力行業(yè)中廣泛運用的電子技術。從上世紀60年代開始，電力電子技術作為一門新興的學科得到迅速地發(fā)展，它是以研究和應用半導體器件來實現(xiàn)電力變換和控制的技術，是一門由電工、電力半導體器件以及控制技術相互交叉而出現(xiàn)的新興學科。 電力電子技術研究的內(nèi)容非常廣泛，包括電力半導體器件、磁性元件、電力電子電路、集成控制電路以及由上述元件、電路組成的電力變換裝置，其中電力變換技術是開關電源的基礎和核心。 由于生產(chǎn)技術的不斷發(fā)展，電力電子技術也隨之迅速發(fā)展，使得雙向DC-DC變換器的應用日益廣泛。尤其是軟開關技術的出現(xiàn)，使雙向DC-DC變換器不斷朝著高效化、小型化、高頻化和高性能化的方向發(fā)展，開關技術的應用可以降低雙向DC-DC變換器的開關損耗，提高變換器的工作效率，為變換器的高頻化提供可能性，從而減小變換器的體積，提高變換器的動態(tài)性能。雙向DC-DC變換器在直流不停電電源系統(tǒng)、航空電源系統(tǒng)、電動汽車等車載電源系統(tǒng)、直流功率放大器以及蓄電池儲能等場合都得到了廣泛的應用。 1 概述 1.1 研究內(nèi)容 隨著科技和生產(chǎn)的發(fā)展，雙向DC-DC變換器的需求逐漸增多。人們對它的研究越來越感興趣。本章簡單介紹了雙向DC-DC變換器的原理和用途。針對雙向DC-DC變換器的研究現(xiàn)狀，闡明了開展雙向DC-DC變換器研究的目的和意義。 1.2 雙向DC-DC變換器的原理 雙向DC-DC變換器可廣泛的應用于直流不停電電源系統(tǒng)、航天電源系統(tǒng)、混合電動汽車中的輔助動力供應系統(tǒng)、直流電機驅動系統(tǒng)及其它應用場合[1-3]。在這些需要能量雙向流動的場合，兩側都是直流電壓源或直流有源負載，它們的電壓極性保持不變,希望能量雙向流動，也就是電流的雙向流動。這就需要雙向DC-DC變換器。其結構如圖 1-1（a）所示，在兩個直流電壓源之間有一個雙向DC-DC變換器，用于控制其間的能量傳輸[4]。I1和I2分別是V1和V2的平均輸入電流。雙向DC-DC變換器可以根據(jù)實際需要來控制能量的流動方向，即可以使能量從V1傳輸?shù)絍2 (此時I1為負，而I2為正），也可以使能量從V2傳輸?shù)絍1（此時I1為正，而I2為負）。用通常的單向 DC-DC 變換器也可以實現(xiàn)能量的雙向流動，但是這時就需要將兩個單向DC-DC變換器反并聯(lián)，因為通常的單向DC-DC變換器中主功率傳輸通路上一般都有二極管這個環(huán)節(jié)，因此能量經(jīng)由變換器流動的方向只能是單向的。其結構圖如圖 1-1（b）所示，單向DC-DC變換器①被用來控制處理從V1到V2的能量流動，當需要能量反向流動時就使用單向DC-DC變換器②。與采用兩個單向 DC-DC變換器反并聯(lián)來達到能量雙向傳輸?shù)姆桨赶啾?，雙向DC-DC變換器應用同一個變換器來控制能量的雙向傳輸，使用的總體器件數(shù)目少，且可以更加快速地進行兩個方向功率變換的切換。再者，在低壓大電流場合，一般雙向DC-DC變換器更有可能在現(xiàn)成的電路上使用同步整流器工作方式，有利于降低通態(tài)損耗?？傊?，雙向DC-DC變換器具有效率高、體積小、動態(tài)性能好和成本低等優(yōu)勢。 (a) 雙向DC-DC變換器結構 （b）雙單向變換器結構 圖1-1 雙向DC-DC變換功能框圖 Fig1-1 Block diagram of bi-directional DC-DC converter 1.3 雙向DC-DC變換器的應用 1.3.1 不停電電源系統(tǒng) 直流不停電系統(tǒng)有兩種系統(tǒng)結構。 一種系統(tǒng)結構如圖1-2所示，直流總線上直接并蓄電池組。當外部交流輸入電源掉線時，負載由蓄電池來提供能量。正常供電時，交流輸入對蓄電池浮充。由于蓄電池的電壓變化范圍很大，造成直流總線的電壓也有較大的變化，很多直流負載對輸入電壓的穩(wěn)定度有一定的要求，所以需在直流負載與直流總線之間加入DC-DC變換器，以保持直流總線電壓的穩(wěn)定。因此，正常供電時，交流電能要經(jīng)過AC-DC和DC-DC二級變換，這樣降低了效率。 圖1-2 含雙向DC-DC直流變換器的直流不停電系統(tǒng) Fig1-2 DC UPS including the single DC-DC converter 另一種系統(tǒng)結構如圖 1-3 所示，蓄電池組經(jīng)過雙向DC-DC變換器并到直流總線上[5][6]。正常供電時，交流輸入電源除了對負載供電外，還通過雙向DC-DC變換器對蓄電池充電。當外部交流輸入電源掉電，雙向DC-DC變換器工作在反向方式，使蓄電池放電。這種系統(tǒng)結構的好處：1)這種結構把電池充電的工作分離出來，正常供電時，經(jīng)過一級 AC-DC變換，向負載供電，提高了變換效率；2)運用雙向DC-DC變換器單獨控制蓄電池的充放電，更容易優(yōu)化充放電過程，可以延長蓄電池的壽命。 圖1-3 含雙向DC-DC直流變換器的直流不停電系統(tǒng) Fig1-3 DC UPS including the bi-directional DC-DC converter 同樣道理，雙向DC-DC變換器還可成為某些AC-UPS（交流不停電電源系統(tǒng)，也就是通常所說的UPS）中的中間直流總線與蓄電池之間的變換環(huán)節(jié)，圖1-4是在線式交流不停電電源系統(tǒng)的系統(tǒng)結構。蓄電池組也是經(jīng)過雙向DC-DC變換器并到直流總線上。 圖1-4 雙向DC-DC直流變換器結構的交流不停電系統(tǒng)（在線式） Fig1-4 AC UPS including bi-directional DC-DC converter(on line) 1.3.2 新能源發(fā)電系統(tǒng) 衛(wèi)星及空間站等航天系統(tǒng)的能源主要由太陽能電池陣列和蓄電池組成，航天系統(tǒng)對電源的體積和重量有嚴格的要求（如圖1-5），高功率密度的雙向DC-DC變換器成為電源系統(tǒng)關鍵性部件[7][8]。 為了發(fā)揮光伏電池的效能，太陽能電池列陣工作在最大功率跟蹤點。當日光充足時，太陽能陣列除保證負載的正常供電外，將多余能量通過雙向DC-DC變換器存儲到蓄電池中；當日光不足時，太陽能陣列不足以提供負載所需的電能，雙向DC-DC變換器工作在反向模式，由蓄電池向負載提供電能。雙向DC-DC變換器充當蓄電池的充電器和放電器，它設計的好壞直接影響到航天器上蓄電池的利用效率和壽命長短。 另外適合于偏遠地區(qū)應用的太陽能照明裝置中，雙向DC-DC變換器可以減少變換器的個數(shù)，從而提高整個系統(tǒng)的效率[9]。 圖1-5 航天直流電源系統(tǒng) Fig1-5 DC power for the space station 1.3.3 電動汽車、各種重型車輛的車載電源系統(tǒng) 電動汽車、各種重型車輛的車載電源系統(tǒng)中，雙向DC-DC變換器的應用越來越廣泛。本論文即是要研究應用在該領域的一種雙向DC-DC變換器。在電動汽車中，電動機是典型的有源負載，從其輸入端來看既能輸出能量也可吸入能量。雙向DC-DC變換器的一大應用場合便是電機驅動系統(tǒng)，特別是應用蓄電池為能源的電機驅動系統(tǒng)[3][9-13]。由于電動汽車的電機運轉速度極寬，頻繁加減速，而且蓄電池的電壓變化范圍很大，相對于一般的驅動方法，使用雙向DC-DC變換器可以明顯提高電機的驅動性能;一方面，雙向DC-DC變換器可以將制動剎車時的動能轉化而來的電能回饋給蓄電池，這樣，不但可以節(jié)省能源，提高效率，優(yōu)化電機控制性能，同時還可以避免在使用單向DC-DC變換器時出現(xiàn)的變換器輸出端出現(xiàn)浪涌電壓等不利情況。在坦克、裝甲車等重型車輛中，仍采用柴油或汽油發(fā)動機驅動，發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，作為車中其他設備的供電電源，但發(fā)動機的啟動需要電源。通常的辦法是，發(fā)動機啟動時由蓄電池(12V或24V)經(jīng)雙向DC-DC變換器升壓至300V給電機供電，讓電機工作在電動狀態(tài)帶動發(fā)動機啟動，發(fā)動機啟動完畢，電機即由電動狀態(tài)轉變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)，為車中其他設備提供電源，同時經(jīng)雙向DC-DC變換器給蓄電池充電。 對直流電機來說，可采用圖1-6所示的雙向DC-DC變換器直接驅動。對于交流電機、同步電機、永磁無刷電機等電機則采用間接驅動的方法，雙向DC-DC變換器可以調節(jié)逆變器的輸入電壓，并使得回饋制動控制容易。近年來，一些低輸入感抗的電機應用越來越多，主要得益于它的功率密度高、轉動慣量低、轉動平滑以及成本低等優(yōu)點。但對于通常的固定電壓驅動的方式來講，低感抗必然意味著會出現(xiàn)大的電流紋波，同時造成大的鐵耗和開關損耗，這時使用雙向DC-DC變換器就可以解決這個問題。 圖1-6 雙向DC-DC變換器直接驅動直流電機 Fig1-6 Bi-directional DC-DC converterdriving DC motor directly 燃料電池和混合能源電動汽車也需要雙向DC-DC變換器，如圖1-7所示，燃料電池系統(tǒng)中一般含有一個壓縮電機消耗單元，正常運轉情況下，該壓縮機可由燃料電池輸出電壓供電，但在電動汽車啟動時，燃料電池電壓尚未建立起來，需要輔助電源來供電。這個輔助電源有兩個功用：1)在燃料電池發(fā)電前通過雙向DC-DC變換器升壓，提供高電壓總線的能量；2)當汽車制動時，逆變器和雙向DC-DC變換器再將再生制動的能量存儲到蓄電池中。雙向DC-DC變換器在電動汽車和車載、艦載系統(tǒng)中的應用還包括為彌補蓄電池瞬時輸出功率有限的缺陷，通過加入超容電容和雙向DC-DC變換器達到增加瞬時功率，從而提高系統(tǒng)的加減速性能[14][15]。 圖1-7 燃料電池電動汽車電力驅動系統(tǒng) Fig1-7 Power driving system of fuel cell vehicles 1.3.4 蓄電池能量儲備系統(tǒng) 雙向DC-DC變換器還應用于蓄電池能量儲備系統(tǒng)[16]，以達到電網(wǎng)調峰、高效用電以及提高電網(wǎng)質量的目的，同時也可加入有源濾波功能。另外，雙向DC-DC變換器也可應用于地面的大功率直流儲能系統(tǒng)中。 1.4 雙向DC-DC變換器軟開關技術現(xiàn)狀 硬開關雙向DC-DC變換器在電流連續(xù)工作模式下會遇到嚴重的問題，這往往與有源開關器件(如MOSFET)的體內(nèi)寄生二極管有關，因它關斷過程中的反向恢復電流而產(chǎn)生的電流尖峰對開關器件有極大的危害。一種解決辦法就是采用額外串并快速二極管的方法，這樣在一定程度上減小了反向恢復電流，但不足之處是除了增加半導體器件外，還會增加變換器的通態(tài)損耗，對非高壓應用場合中提高效率并沒有貢獻。由于雙向DC-DC變換器的應用場合的特殊性，一般需要其體積盡可能減小，重量盡可能減輕。為提高其功率密度和動態(tài)性能，雙向DC-DC變換器正向高頻化方向發(fā)展，而高頻化必需要解決好開關損耗問題。近年來，國內(nèi)外在雙向DC-DC變換器方面的研究重點也主要集中在這個方面：高頻化的同時如何使用軟開關技術降低其開關損耗，從而提高變換器的效率。 軟開關技術給DC-DC變換器的性能帶來了很大的改進，它降低了開關器件的電壓電流應力，軟化了器件的開關過程，減小了開關損耗，提高了變換器的工作效率。軟開關技術為變換器的高頻化提供了可能性，從而大大縮小了變換器的體積和重量，功率密度和動態(tài)性能得到了提高，另外，也有助于減小變換器對其它電子設備的電磁干擾。 多年來，單向直流變換器軟開關技術取得了長足發(fā)展，但不能簡單地把它們套用到雙向DC-DC變換器中，因為當能量傳輸方向改變之后，軟開關的諧振時序通常會改變，這樣不但實現(xiàn)不了變換器的軟開關工作，甚至可能增加開關應力和損耗。因此在某些應用場合實現(xiàn)雙向的軟開關較為困難，所以，在某些應用場合，變換器在功率傳輸大的方向上使用軟開關工作模式，而在功率傳輸小的方向上仍以硬開關工作模式為主。 近年來，己有不少軟開關雙向DC-DC變換器電路拓撲出現(xiàn)，現(xiàn)討論幾種: 1） 諧振類雙向DC-DC變換器[17] 諧振技術是出現(xiàn)較早的軟開關技術。它降低了開關器件的開關損耗，但該變換器需要變頻工作，使得變換器的閉環(huán)控制器的優(yōu)化設計困難，而且很難削減變換器的噪聲。如圖1-8所示。 圖1-8 ZCS/ZVS-SCyR Buck/Boost雙向DC-DC變換器 Fig1-8 ZCS/ZVS-SCyR Buck/Boost bi-directional DC-DC converter 其中Lr，Cr為諧振電感和諧振電容。而如圖1-9所示的電路拓撲為恒頻零電壓開關多諧振雙向DC-DC變換器，其中S1，S2均為零電壓開關工作。恒頻多諧振雙向DC-DC變換器在輸入電壓或負載變化時，都是通過調節(jié)變換器中兩個開關管各自的開通持續(xù)時間來保證頻率不變，并且仍能維持軟開關工作。諧振類變換器存在功率期間的電壓、電流應力大，通態(tài)損耗高，軟開關的負載范圍受到限制等缺陷，還有諧振類變換器對器件的寄生參數(shù)分散性較為敏感，不太適合工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，多數(shù)諧振類雙向DC-DC變換器僅適用百瓦以下的小功率場合。 圖1-9 恒頻零電壓開關多諧振雙向DC-DC變換器 Fig1-9 ZVS mul-resonance bi-directional DC-DC converter with constant frequency 2) 準方波零電壓PWM雙向DC-DC變換器 如圖1-10所示，開關以互補方式工作。變換器在主功率電感的作用下，每一個開關在其開通前，有電流流經(jīng)其反并聯(lián)二極管，兩端電壓被降低到零，這樣為功率開關提供了零電壓開通條件。該技術的優(yōu)點是拓撲與常規(guī)硬開關雙向DC-DC變換器相同，恒頻控制，但缺點是存在的電流紋波超過兩倍負載電流，因此該變換器的開關器件通態(tài)損耗和主電感電流紋波過大，造成磁芯損耗較高，影響了變換效率。為減小變換器的損耗，一般采用并加功率管和多模塊技術。 圖1-10 準方波零電壓PWM雙向DC-DC變換器 Fig1-10 Quasi-square wave ZVS PWM bi-directional DC-DC converter 3) FB-ZVS-PWM雙向DC-DC變換器[18] 橋式雙向DC-DC變換器較容易通過相移控制實現(xiàn)軟開關，優(yōu)點是控制簡單，恒頻控制，而且一般不用增加輔助器件即可實現(xiàn)軟開關，對系統(tǒng)的寄生參數(shù)不敏感，變換器中器件的電壓電流應力較小，較適于高壓場合，同單向DC-DC橋式變換器類似，變換器橋臂內(nèi)部開關管互補工作，利用隔離變壓器漏感中儲備的能量來實現(xiàn)橋臂的零電壓開關。同樣，不足之處是變換器存在較大內(nèi)部循環(huán)能量，通態(tài)損耗較高，輕載時不能實現(xiàn)軟開關工作。 4) 無源緩沖器類雙向DC-DC變換器 無源緩沖器技術是給變換器加入無源網(wǎng)絡來軟化變換器中有源開關元件的開關過程，吸收過沖。優(yōu)點是沒有額外引入輔助有源開關，不增加原變換器的控制復雜度。如圖1-11所示，其中Cr，Lr，Dr，Dp組成了額外加入的無源緩沖網(wǎng)絡，它吸收了副邊電壓回饋電路中的電壓尖峰，相對于最簡單的RCD吸收器，它基本不消耗功率，其缺點是不能完全抑制電壓尖峰，只是緩沖。 圖1-11 一種應用無源緩沖器的橋式雙向DC-DC變換器 Fig1-11 A bridge bi-directional DC-DC converter using the passive buffer 5) 有源緩沖器類雙向DC-DC變換器 通過加入一些有源緩沖器來達到零電壓轉換(ZVT)或零電流轉換(ZCT)為目的的拓撲結構，它們的共同點是變換器基本保持一般的PWM方式工作，額外引入的輔助有源開關和輔助諧振網(wǎng)絡，只是在主開關管開通或關斷之前工作一小段時間，使得主開關管工作于軟開關狀態(tài)，此外，器件的電壓應力較小。這類變換器的缺點是所需輔助開關管數(shù)目與主開關管數(shù)目一樣多，而且往往輔助管工作為硬開關或軟開關的條件不理想。 6) 有源鉗位類雙向DC-DC變換器[19] 有源鉗位技術近十年來在單向DC-DC變換器中得到了廣泛的應用，通過加入有源鉗位支路能有效地將主開關管關斷后的電壓鉗位，去除了電壓過沖和振蕩，減小了器件的電壓應力，而且在一定條件下也可實現(xiàn)軟開關。當然有源鉗位技術也可用于雙向DC-DC變換器，如圖1-12所示，Sc，Cc組成了有源鉗位輔助回路。該種拓撲的優(yōu)點是:①消除了無有源鉗位輔助回路時電流饋全橋端存在電壓應力大的缺陷;②在正向工作中，變換器以有源鉗位隔離式Boost電路方式工作，變換器左端全橋和輔助鉗位開關管均可工作于ZVS狀態(tài);反向工作中，變換器右端的全橋以移相方式工作，并通過左端全橋和輔助鉗位管的配合工作，削減了移相工作中變換器中的循環(huán)能量，同時維持了左端全橋的零電壓零電流軟開關工作條件。其不足之處有:①正向工作中由于有源鉗位工作方式引起的變換器電流應力較大，造成通態(tài)損耗變高;②反向工作時，輔助鉗位管是硬開關工作的。 圖1-12 有源鉗位類雙向DC-DC變換器 Fig1-12 Bi-directional DC-DC converter with the active clamper 1.5 本論文的目的和主要工作 雙向DC-DC功率變換器要在電動汽車、航天等許多應用場合獲得實際應用仍面臨三大問題，即雙向DC-DC功率變換器的功率密度、電磁兼容性和成本問題。軟開關技術是解決功率密度和電磁兼容性問題的關鍵技術。目前雙向DC-DC功率變換器的軟開關方法主要可以分為采用輔助開關軟開關方法和不采用輔助開關軟開關方法。采用輔助開關的軟開關法有：零電壓轉換（ZVT）和零電流轉換（ZCT）雙向DC-DC功率變換器、有源鉗位雙向DC-DC功率變換器。零電壓轉換（ZVT）和零電流轉換（ZCT）雙向DC-DC功率變換器結合了PWM工作和諧振變換器的優(yōu)點，但需要額外引入輔助開關，且輔助開關通常為硬開關，在輔助開關上仍存在較大的開關損耗，因此實用性并不高。有源鉗位的雙向DC-DC功率變換器也結合了PWM工作和諧振變換器的優(yōu)點，但是也需要額外引入輔助開關。典型的有源鉗位電流饋全橋式雙向DC-DC功率變換器雖然正向工作時可以實現(xiàn)軟開關，但反向工作時輔助鉗位開關為硬開關。因此，目前，采用輔助開關的軟開關雙向DC-DC功率變換器存在電路元件多，需要額外引入的輔助開關及其控制電路等缺點，因此影響成本和功率密度。而且，仍存在由于硬開關操作造成的開關損耗和電磁干擾問題。不采用輔助開關軟開關方法有：諧振、準諧振、多諧振雙向DC-DC功率變換器、準方波零電壓開關雙向DC-DC功率變換器、相移控制雙向DC-DC功率變換器。它們的顯著有點是無需增加輔助器件即可實現(xiàn)功率器件的零電壓或零電流開關條件，電路簡單、可靠、經(jīng)濟。但諧振、準諧振、多諧振技術的雙向DC-DC功率變換器由于基于LC諧振工作原理，存在功率器件電壓、電流應力大，通態(tài)損耗高，軟開關的負載范圍受限等嚴重缺陷。而且，它們采用變頻控制，電路參數(shù)優(yōu)化困難，最終影響功率密度的提高。軟開關準方波零電壓開關雙向DC-DC功率變換器雖然可以定額工作，但存在電流脈動大、功率器件通態(tài)損耗和鐵心損耗大的缺點。相移控制雙向DC-DC功率變換器具有功率器件電壓、電流應力小，額定工作無需增加輔助器件即可實現(xiàn)功率器件的零電壓開關條件等優(yōu)點。但當相移控制雙向DC-DC功率變換器的輸入電壓或輸出電壓偏離標稱電壓時，相移控制在電路中造成嚴重環(huán)流，導致通態(tài)損耗的迅速增加和軟開關條件的破壞。在電動汽車、航天等能量管理系統(tǒng)中，無論是雙向DC-DC功率變換器的輸入還是輸出，電壓的變化范圍很大，相移控制雙向DC-DC功率變換器的應用也遇到了嚴重的障礙。 考慮到相移控制具有不采用輔助開關即可實現(xiàn)雙向DC-DC功率變換器零電壓開關的能力，但當輸入電壓或輸出電壓偏離標稱電壓時，環(huán)流嚴重，通態(tài)損耗大，軟開關范圍變窄。而PWM控制具有器件的電壓電流應力低、通態(tài)損耗小、無環(huán)流的優(yōu)點，但功率開關為硬開關。若能將相移控制和PWM相結合，發(fā)揮PWM控制對雙向DC-DC功率變換器的輸入和輸出電壓大范圍變化適應性強的優(yōu)勢，發(fā)揮移相控制具有無須輔助開關即可實現(xiàn)雙向DC-DC功率變換器零電壓開關的能力優(yōu)勢，就可較好的解決雙向DC-DC變換器在目前應用中所遇到的問題。 本文在閱讀了大量雙向DC－DC變換器的資料，深入了解最新研究動態(tài)和方向的基礎上，分析介紹了一種新型的中、小功率雙向半橋零電壓（ZVS）DC-DC變換器的拓撲結構。把軟開關技術和PWM控制技術以及雙向DC-DC變換器技術有機結合在一起，有效降低了電路的開關損耗和開關噪聲，減少了器件開關過程中產(chǎn)生的電磁干擾，為變換器裝置提高開關頻率、提高效率、降低尺寸及重量提供了良好的條件。同時，還保持了常規(guī)的硬開關半橋PWM雙向DC-DC變換器中拓撲結構簡潔、控制方式簡單、開關頻率恒定，元器件的電壓和電流應力小等優(yōu)點。 論文主要完成以下工作： 1) 介紹了一種雙向半橋零電壓（ZVS）DC-DC變換器。該變換器結構簡單，不用輔助電路就可以實現(xiàn)開關管的零電壓通斷。 2) 詳細分析了該變換器的工作原理，根據(jù)各個開關管的開關狀態(tài)，推導出不同時間段的等效電路結構，給出了實現(xiàn)軟開關的條件。 3) 討論了電路中主要元件參數(shù)的選取原則，并通過仿真進行了驗證。 4) 介紹了DSP的選取，系統(tǒng)的主控制電路，采樣電路，保護電路和驅動電路的方案。 5) 通過實驗驗證了本課題方案的正確性和可行性。 2 雙向半橋DC-DC變換器的工作原理 2.1 引言 本章對一種雙向半橋零電壓（ZVS）DC-DC 變換器拓撲圖進行了原理分析。它可以不用輔助電路就可以實現(xiàn)開關的零電壓通斷，而且轉換效率高和控制電路簡單。該變換器的結構很簡單，隔離變壓器的兩端各有一個對稱半橋。變換器中的功率傳輸由兩個對稱半橋之間的相移控制。無需另外加入任何輔助開關或無源諧振網(wǎng)絡,變換器中的所有開關均可在雙向變換中工作于零電壓開通狀態(tài)，且開關的電壓應力低。另外電路中沒有大的延時器件存在,變換器的動態(tài)響應較快。此變換器主要用于混合動力汽車燃料電池的輔助啟動。 2.2 雙向DC-DC變換器的工作原理 圖2-1 為該變換器的拓撲圖。變換器的隔離變壓器兩端各有一個雙半橋結構。和雙向全橋變換器相比，元器件的數(shù)量減少了一半。另外在能量雙向流動時，沒有輔助設備就可以實現(xiàn)開關管的零電壓（ZVS）通斷。開關器件S1~S4的占空比為0.5。通過控制兩個變換單元之間的相位關系來調節(jié)兩個直流源之間的能量傳輸。圖中LS為變換器隔離變壓器的漏感。它是變換器能量傳輸?shù)闹匾瑫r也保證了變換器的軟開關的實現(xiàn)。輸入方波電源Vr1的正負幅值為V1和-V1，輸出方波電源Vr2的正負幅值為NV3和-NV3。當輸入方波電源Vr1的幅值和輸出方波電源V r2的幅值匹配時，即V1= NV3，簡化電路的主要原理波形如圖2-2所示(N=n1/n2為變壓器原、副邊的繞組匝比)。但當輸入方波電源Vr1的幅值和輸出方波電源Vr2的幅值不匹配時，如V1
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