一种新型软开关PWM双向DC/DC变换器的研究
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摘要
双向DC/DC变换器是根据需要调节能量双向传输的直流到直流的变换器。随着科技和生产的发展，对双向DC/DC变换器的需求越来越多，主要有直流不停电电源系统、航天电源系统、直流电机驱动系统、混合能源电动汽车、装甲车电源系统等应用场合，而大功率双向DC/DC变换器技术是电力电子领域的一个难点问题
在某大型车载电源系统中所需的双向DC/DC变换器，其主要实现的功能是实现能量的双向流动：①将270V直流电转换成48V直流电给蓄电池充电，其主要技术指标有：额定功率5kw；电源电压：270V±10％(DC)；额定输出电压：48V(DC)；额定电流：102A；过载能力：150A，2分钟；效率大于等于85％，具有过压、欠压、过流等保护功能。②将蓄电池的28V直流电转换成270V直流，额定功率7.5kw额定电流：28A；过载能力40A，2分钟；效率大于等于85％，具有过压、欠压、过流等保护功能。
鉴于上述特殊要求，为实现能量的双向流动问题，提出了一种新型的双向DC/DC变换器拓扑结构；桥式双向直流变换器适合大、中功率场合，并且较易通过移相控制实现软开关，本文在系统分析了双向PWM DC/DC全桥变换器的两类软开关方式(即零电压(ZVS)和零电压-零电流(ZVZCS))后，针对本课题确定了其控制策略即PS-FB-ZVZCS-PWM方式。
新型拓扑结构的特点：新型拓扑结构为有隔离变压器和无源辅助网络的移相全桥ZVZCS-PWM变换器，从两边看都是全桥移相式ZVZCS-PWM功率变换器；拓扑结构简单。
本论文对基于PS-FB-ZVZCS-PWM软开关的双向DC/DC变换技术进行了拓扑结构和控制方法的理论分析、Pspice仿真和实验，并得出了相应的仿真和实验波形。采用PIC单片机控制，通过无源谐振电路、饱和电感、UC3875移相控制，新型变换器中所有有源开关管均能在双向工作模式中实现软开关，变换器有较宽的软开关负载适应范围，减小了开关损耗；同时运用同步整流器工作方式，降低了变换器的通态损耗。从而将大大缩小变换器的体积和重量，提高变换器的功率密度。
Bi-directional DC-DC converters allow the transfer of power between two DC sources in either direction. They are increasingly used in applications such as DC uninterruptible power supply, aerospace power system, DC motor drive systems and hybrid-energy electric vehicles, armored car power system, etc. High power bi-directional DC-DC converters are a difficult problem in power electronics field.
The main function of bi-directional DC-DC converter applied in some big car carried power system is the transfer of power between two DC sources in either direction:(1) transfer dc 270v into dc 48v to charge storage battery, its main technology parameters: power rating:5kw; electrical source voltage: 270V± 10%(DC); output voltage rating :dc 48v;rated current: 102A;capacity of over loading:150A,2 minutes; efficiency > 85% ;and safeguarding functions of over voltage, lack of voltage, over current, etc.(2) transfer dc 48v into dc 270v to charge storage battery, its main technology parameters: power rating:5kw; electrical source voltage: 48V±10%(DC); output voltage rating :dc 270v;rated current:28A;capacity of overloading:40A,2 minutes; efficiency >85%;and safeguarding functions of over voltage, lack of voltage, over current, etc.
According to above special needs, a new topology of bi-directional DC-DC converter is put forward in the dissertation in order to allow the transfer of power between two DC sources in either direction. Bridge bi-directional DC-DC converter that is easier realized soft switching is applied in high & medium powers. Two sorts of soft-switching modes (ZVS &ZVZCS) of bi-directional PWM DC-DC converter is analyzed by the numbers. Control strategy of PS-FB-ZVZCS-PWM is applied in the dissertation.
Characteristics of the new topology: The topology is a phase-shifted full-bridge ZVZCS PWM (PS-FB-ZVZCS-PWM) bi-directional DC-DC converter with isolated transformer and passive network. There is a PS-FB-ZVZCS-PWM converter receptively from two sides. Therefore, the
new topology is simple.
Theory analysis, Pspice simulation, experiment of the new topology and its control strategy based on PS-FB-ZVZCS-PWM bi-directional DC-DC converter are introduced. Results of Pspice simulation & experiment are also presented. All of active switches in the new converter with PIC singlechip, UC3875, passive resonance network, saturation inductance can achieve soft switching in both forward and backward operation modes, so switching losses of the converter is reduced. The new converter maintains soft switching in wide load rang. Moreover, Synchronous rectifier operation makes conduction losses of the converter reduced. As a result, weight and volume of the converter will be reduced largely, and the converter will have high power density.
在某大型车载电源系统中所需的双向DC/DC变换器，其主要实现的功能是实现能量的双向流动：①将270V直流电转换成48V直流电给蓄电池充电，其主要技术指标有：额定功率5kw；电源电压：270V±10％(DC)；额定输出电压：48V(DC)；额定电流：102A；过载能力：150A，2分钟；效率大于等于85％，具有过压、欠压、过流等保护功能。②将蓄电池的28V直流电转换成270V直流，额定功率7.5kw额定电流：28A；过载能力40A，2分钟；效率大于等于85％，具有过压、欠压、过流等保护功能。
鉴于上述特殊要求，为实现能量的双向流动问题，提出了一种新型的双向DC/DC变换器拓扑结构；桥式双向直流变换器适合大、中功率场合，并且较易通过移相控制实现软开关，本文在系统分析了双向PWM DC/DC全桥变换器的两类软开关方式(即零电压(ZVS)和零电压-零电流(ZVZCS))后，针对本课题确定了其控制策略即PS-FB-ZVZCS-PWM方式。
新型拓扑结构的特点：新型拓扑结构为有隔离变压器和无源辅助网络的移相全桥ZVZCS-PWM变换器，从两边看都是全桥移相式ZVZCS-PWM功率变换器；拓扑结构简单。
本论文对基于PS-FB-ZVZCS-PWM软开关的双向DC/DC变换技术进行了拓扑结构和控制方法的理论分析、Pspice仿真和实验，并得出了相应的仿真和实验波形。采用PIC单片机控制，通过无源谐振电路、饱和电感、UC3875移相控制，新型变换器中所有有源开关管均能在双向工作模式中实现软开关，变换器有较宽的软开关负载适应范围，减小了开关损耗；同时运用同步整流器工作方式，降低了变换器的通态损耗。从而将大大缩小变换器的体积和重量，提高变换器的功率密度。
Bi-directional DC-DC converters allow the transfer of power between two DC sources in either direction. They are increasingly used in applications such as DC uninterruptible power supply, aerospace power system, DC motor drive systems and hybrid-energy electric vehicles, armored car power system, etc. High power bi-directional DC-DC converters are a difficult problem in power electronics field.
The main function of bi-directional DC-DC converter applied in some big car carried power system is the transfer of power between two DC sources in either direction:(1) transfer dc 270v into dc 48v to charge storage battery, its main technology parameters: power rating:5kw; electrical source voltage: 270V± 10%(DC); output voltage rating :dc 48v;rated current: 102A;capacity of over loading:150A,2 minutes; efficiency > 85% ;and safeguarding functions of over voltage, lack of voltage, over current, etc.(2) transfer dc 48v into dc 270v to charge storage battery, its main technology parameters: power rating:5kw; electrical source voltage: 48V±10%(DC); output voltage rating :dc 270v;rated current:28A;capacity of overloading:40A,2 minutes; efficiency >85%;and safeguarding functions of over voltage, lack of voltage, over current, etc.
According to above special needs, a new topology of bi-directional DC-DC converter is put forward in the dissertation in order to allow the transfer of power between two DC sources in either direction. Bridge bi-directional DC-DC converter that is easier realized soft switching is applied in high & medium powers. Two sorts of soft-switching modes (ZVS &ZVZCS) of bi-directional PWM DC-DC converter is analyzed by the numbers. Control strategy of PS-FB-ZVZCS-PWM is applied in the dissertation.
Characteristics of the new topology: The topology is a phase-shifted full-bridge ZVZCS PWM (PS-FB-ZVZCS-PWM) bi-directional DC-DC converter with isolated transformer and passive network. There is a PS-FB-ZVZCS-PWM converter receptively from two sides. Therefore, the
new topology is simple.
Theory analysis, Pspice simulation, experiment of the new topology and its control strategy based on PS-FB-ZVZCS-PWM bi-directional DC-DC converter are introduced. Results of Pspice simulation & experiment are also presented. All of active switches in the new converter with PIC singlechip, UC3875, passive resonance network, saturation inductance can achieve soft switching in both forward and backward operation modes, so switching losses of the converter is reduced. The new converter maintains soft switching in wide load rang. Moreover, Synchronous rectifier operation makes conduction losses of the converter reduced. As a result, weight and volume of the converter will be reduced largely, and the converter will have high power density.
引文
[1]．阮新波 严仰光，脉宽调制DC／DC全桥变换器的软开关技术【M】，科学出版社，1999年9月，P2～123
[2]．蔡宣三 龚绍文，高频功率电子学：直流-直流变换部分【M】，科学出版社，1993年，P97～103，P111～113
[3]．张占松 蔡宣三著，开关电源的原理与设计【M】，电子工业出版社，1999年，P58～60，P451～462
[4]．周林泉 阮新波 严仰光，软开关Boost PWM DC／DC全桥变换器的理论基础，电源世界[J]，2002年第8期：P10～14
[5]．王聪编著，软开关功率变换器及其应用【M】，科学出版社，2000年1月， P1～125
[6]. Jung-Goo Cho etl., Novel Zero-voltage and Zero-Current-Switching Full-Bridge PWM Converter Using a Simple Auxiliary Circuit, IA[J], 1999(4):P15～20
[7]. Dong-Yun Lee, etl, An Improved Full-Bridge Zero-Voltage-Transition PWM DC/DC Converter with Zero-Voltage/Zero-Current Switching of the Auxiliary Switches IA[J],2000(2),P558～566
[8]. Zheren Lai, et al, A Family of Continuous-Conducting-Mode Power Factor Correction Controllers Based on the General Pulse-Width-Modulator, PE[C],1998(3):P501～509
[9]. Jung-Guo Cho, etl, Zero-Voltage and zero-current switching full bridge PWM converter using secondary active clamp, PE[C], 1998(4):P601～607
[10]. 1.6kw, 110kHz dc/dc converter optimized for IGBT's, PE[C], 1996(3):P18～25
[11]. Jung-Guo Cho, Zero-voltage and zero-current full bridge PWM converter for high power applications, PESC 1994[C], P102～108
[12]. Ruan Xinbo, etl, An improved phase-shifted zero-voltage and zero-current switching PWM converter, APEC 1998[C],P811～815
[13]. Jain M et al, Analysis of a bi-directional DC/DC converter topology for Low Power Application[C],Proc. Of CCECE,1997, P548～551
[14]. Ray B., Bi-directional DC/DC power conversion using constant-frequency Ouasi-resonant topology[C], Proc. Of ISCAS 1993, P2347～2350
[15]. Jain M et al, A bi-directional DC/DC converter topology for Low Power Application[J],Power electronics, IEEE Transactions on Vol15(4) 2000.7,P595～606
[16]. Venkatesan K., Current Mode Contrlled bi-directional flyback converter, Proc. Of PESC 1989[C]:P835～842
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[18]. Chan H. L. et al, A novel square-wave converter with bi-directional power flow, Proc. Of PEDS 1999[C]:P966～971
[19]. Kheraluwala M.H. et al, Performance characterization of a high-power dual active bridge DC/DC converter, IEEE trans, industry applications[J],1992,1A-28(6),P1294～1301
[20]. Schone man G.K., 500W zero-voltage-switched Full-bridge two quadrant power modulator, Proc. Of APEC 1993[C]:P700～705
[21]. Wang K, et al, Bi-directional DC to DC converter for fuel cell systems, IEEE Power electronics in transportation, 1998, P47～51
[22]．王庆斌等，电磁干扰与电磁兼容技术【M】，机械工业出版社，1999．8，P1～134，P192～218
[23]．张卫平等编著，绿色电源—现代电能变换技术及应用【M】，科学出版社，2001．11，P123～160
[24]．杜少武 丁同海 徐宁 刘宝华，ECRH负高压脉冲电源系统的电磁兼容性研究，电力电子技术[J]，2002年第2期(Vol．36)，P56～58
[25]．杜少武 张崇巍 徐宁 刘正之，托克马克装置用DC／DC直流电源并联技术的研究，电气传动，中国自动化学会电气自动化专业委员会，中国电工技术学会电控系统与装置专业委员会第十一届学术会议增刊[J]，2002年第32卷，P29～33
[26]．徐宁，杜少武，电动车用智能型快速冲电器的研制，合肥工业大学学报[J]，2001．1
[27]．丁道宏，电力电子技术【M】，航空工业出版社，1992
[28] 王兆安 黄俊主编，电力电子技术(第4版)【M】，机械工业出版社，2000年P176～177
[29]．赵良炳主编，现代电力电子技术基础【M】，清华大学出版社，1996年，P136～185
[30]．华伟，周文定编著，现代电力电子器件及其应用【M】，北方交通大学出版社、清华大学出版社，2002年3月，P113～183
[31]．张立等编著，电力电子场控器件及其应用【M】，机械工业出版社，1999年，P35～120
[32]．陈刚， 软开关双向DC／DC变换器，浙江大学博士学位论文，2001，P1～17
[33]．陈刚 徐德鸿等，一种软开关低通态损耗的双向DC／DC变换器，电力电子技术[J]，2000年第6期，2000．12，P1～4
[34]．陈刚 徐德鸿，一种零电压开关双向DC／DC变换器，电力电子技术[J]，2001年第2期，2000．4，P1～3
[35]．叶治政 叶靖国，开关稳压电源【M】，高等教育出版社，1989
[36]．张廷鹏等，通信用高频开关电源【M】，人民邮电出版社，1997年9月
[37]．何希才，新型开关电源及其应用【M】，人民邮电出版社，1996年5月
[38]．[日]长谷川彰，开关式稳压器的设计技术【M】，科学出版社，1989，9
[39]．徐曼珍，程控数字通信系统基础电源设备【M】，人民邮电出版社，1995年11月
[40]. UNITRODE, Phase shifted, zero voltage transition design considerations and the UC3875 PWM controller, May 1997
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[42]. K.H. Liu and Y. L. Lin , Current waveform distortion in power factor corrector circuits employing discontinuous mode boost converters, PESC 1989[C], P825～829
[43]．张占松 孙时生 伍言真，电路和系统的仿真实践【M】，科学出版社，2000，P19～60
[44]．包伟 蔡宣三，用PSPICE仿真研究PWM开关电源【M】，电工电能新技术，1995，P43～77．
[45]．【美】Microchip Technology Inc．著，刘和平译，PIC16F8X数据手册—28／40 脚 40 位 FLASH 单片机【M】，北京航空航天大学出版社，2001，P33～38，P75～96．
[46]．汤蕴璆 史乃 姚守遒等合编，电机学【M】，西安交通大学出版社，1993年，P3～71
[47]．王瑞华编著，脉冲变压器的设计(第二版)【M】，科学出版社，1996年，P45～104
[48]．胡寿松，自动控制原理(第3版)【M】，国防工业出版社，1996年，P238～291．
[49]. Malay Trivedi, High performance insulated gate bipolar transistors for soft-switching power converter, a dissertation for PH.D. in Electrical &Computer Engineering in the Graduate College of the University of Illinois at Chicago, 2001, P52～83
[50]. HuiLi, et al, A natural ZVS high-power bi-directional dc-dc converter with minimum number of devices, http://powerelec.ece.utk.edu/pubs/lawler_ias2OO1.pdf
[51]. A Battery ZVT Bi-directional Charger for Uninterruptible Power Supplies, http://www.pesc02.com/TechProg-Thu.htm-45k
[52]．蔡纯洁 刑武编 PIC16／17单片机原理和应用【M】 中国科学技术大学出版社1997年，P216～223
[53]．吴秀清 周荷琴编著 微型计算机原理与接口技术【M】 中国科学技术出版社2001年，P374～377
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[52]．蔡纯洁 刑武编 PIC16／17单片机原理和应用【M】 中国科学技术大学出版社1997年，P216～223
[53]．吴秀清 周荷琴编著 微型计算机原理与接口技术【M】 中国科学技术出版社2001年，P374～377
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