一種隔離式雙向全橋DC - DC變換器的控制策略 - 武琳

1、 26 S2，4 S1，3 S1，3 電 機(jī) 與 S2，4 S2，4 控 制 學(xué) 報(bào) 第 16 卷 IGBT1 開關(guān)信號(hào) S2，4 Uigbt1 idiodel Uigbt1 0 t1 由于諧振電流 i r 為負(fù)， 電流通過 S1 的反 號(hào)到來時(shí)， 并聯(lián)二極管 d1 續(xù)流， 電壓為零， 滿足了 S1 的零電壓 開通條件。 此時(shí)變流器的開關(guān)狀態(tài)如圖 16 所示。 S1 a + S2 d1 S4 b d2S 3 d4 i r S1 d4 S4 d 1 d1 + c C - 電流 （ / 100A/div） / 100V/div） 電壓 （ S1S4 S1 S4 iigbt1 Uigbt1 Uigb

2、t1 + Uo Ro - UGBT1 idiodel iigbt1 Ui t2 時(shí)間 （ / 2滋s/div） t3 d3 S2 d2 S3 d3 圖 12 Fig 12 M = 1， o = 20 時(shí) DC / DC 變換器電壓電流波形 Voltage and current waveforms as M = 1， o = 20 S2，4 S1，3 S1，3 S2，4 S2，4 圖 16 Fig 16 0 時(shí)刻 DC / DC 變換器開關(guān)狀態(tài) Switch status of DC / DC converter at 0 time IGBT1 開關(guān)信號(hào) S1S4 S1 S4 S2，4 Uig

3、bt1 idiodel Uigbt1 S1 的開通信號(hào)到來時(shí)， 整流側(cè)在 t1 時(shí)刻， 諧振 i ， S' d' 電流逆 r 為正 電流通過 1 的反并聯(lián)二極管 1 續(xù) 流， 電壓為零， 滿足了 S' 此時(shí)變 1 的零電壓開通條件 ， 流器的開關(guān)狀態(tài)如圖 17 所示。 d1 S4 b d2 S 3 電流 （ / 100A/div） / 100V/div） 電壓 （ iigbt1 Uigbt1 iigbt1 t2 時(shí)間 （ / 2滋s/div） Uigbt1 UGBT1 idiodel 0 t1 t3 S1 a + Ui S2 d4 ir S1 c S2 S4 d1 d4

4、 + C d3 + Uo Ro - d d3 d2 S3 圖 13 Fig 13 M = 1， o = 5 時(shí) DC / DC 變換器電壓電流波形 Voltage and current waveforms as M = 1， o = 5 S2，4 S1，3 S1，3 S2，4 S2，4 圖 17 Fig 17 t1 時(shí)刻 DC / DC 變換器開關(guān)狀態(tài) Switch status of DC / DC converter at t1 time IGBT1 開關(guān)信號(hào) S2，4 Uigbt1 idiodel / 100A/div） 電流 （ / 100V/div） 電壓 （ S' S&#

5、39; 開關(guān)管 S2 S4 ， 2 S' 4 的開關(guān)情況與 S 1 ， 1 相 同， 不再贅述。 4. 2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 為了 驗(yàn) 證 理 論 分 析 的 正 確 性， 以微處理器 TMS320F28335 為核心控制器件搭建了額定功率為 20 kW 的 LC 串聯(lián)諧振式雙向全橋 DC / DC 變換器的 樣機(jī)。300 V 直流電壓由單相整流橋提供， 逆變側(cè) 和 整 流 側(cè) 的 開 關(guān) 器 件 均 采 用 Infineon 的 FF10012T4 ， 采用的變壓器變比為 1 ： 1 ， 原邊等效 漏感（ 副邊短路測量） 為 30 H， 額定功率 20 kW， 輸 出側(cè)電壓 Uo 為 300

6、 V， 串聯(lián)的諧振電感 L r 為 80 H， 諧振電容 C r 為 10 F， 開關(guān)頻率 f s = 5 kHz， 諧振頻 f = 4. 8 kHz ， 4. 5 kW 18 kW 。 率 r 輸出功率為 和 S1 S4 為變換器 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 18 、 圖 19 所示， 逆變側(cè) 4 個(gè)開關(guān)管的開關(guān)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)觀察了逆變側(cè) 方波電壓 U ab 和諧振電流 i r 在不同開關(guān)信號(hào)切換時(shí) 的波形。通過實(shí)驗(yàn)波形可以看出來： 在 S1 的開通信 號(hào)到來時(shí)刻， 諧振電流 i r 為負(fù)， 電流正通過其續(xù)流 二極管 d1 續(xù)流， 加在 S1 上的電壓為零， 滿足了零電 壓開通的條件。同樣可以看出， 在 M

7、= 1 的模式下， 關(guān)斷信號(hào)到來時(shí)， 強(qiáng)迫關(guān)斷電流大小對負(fù)載的變化 不敏感。 S1S4 S1 S4 iigbt1 Uigbt1 Uigbt1 UGBT1 Uigbt1 iigbt1 0t1 idiodel t2 t3 時(shí)間 （ / 2滋s/div） 圖 14 Fig 14 IGBT1 開關(guān)信號(hào) M 1， o = 20 時(shí) DC / DC 變換器電壓電流波形 Voltage and current waveforms as M 1， o =20 S2，4 S1，3 S1，3 S2，4 S2，4 S1S4 S1 S4 電流 （ / 100A/div） / 100V/div） 電壓 （ S2，4 U

8、igbt1 idiodel iigbt1 Uigbt1 Uigbt1 UGBT1 Uigbt1 iigbt1 0 t1 idiodel t2 t3 時(shí)間 （ / 2滋s/div） 圖 15 Fig 15 M 1， o = 5 時(shí) DC / DC 變換器電壓電流波形 Voltage and current waveforms as M 1， o = 5 S1 的開通信 對 M = 1 的換流過程分析： 0 時(shí)刻， 第 12 期 電流 （ / 50A/div） 開關(guān)信號(hào) 武 琳等： 一種隔離式雙向全橋 DC / DC 變換器的控制策略 27 S1，S3 方法， 并有效提升了系統(tǒng)的效率。最后， 通過

9、仿真和 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了文中所提出方法的正確性和有效性 。 參 考 文 獻(xiàn)： ir 1 ZHAO Tiefu，SHE Xu，Bhattacharya S，et al Power synchronization control for capacitor minimization in solid state transformers （ SST） C/ / Energy Conversion Innovation for a Clean Energy Fu- 電壓 （ / 300V/div） Uab 圖 18 輸出功率 4. 5 kW 時(shí)變換器的電壓、 電流波形 Voltage and curren

10、t waveforms of 4. 5 kW power output 2011 ， Phoenix， AZ， 2011 ， 2812 2818 ture，September 17 22 ， 2 Blahnik V，Peroutka Z，Zak J，et al Traction converter with mediumfrequency transformer for railway applications： direct current control of primary active rectifiers C/ /13th European Conference on Power E

11、lectronics and Applications，September 8 10 ，2009 ， Univ of West Bohemia，Plzen，Czech epublic， 2009 ： 1 8 3 Sebastian J，Lamar D G，Hernando M M，et al An overall study of a dual active bridge for bidirectional DC / DC conversionC/ / Energy Conversion Congress and Exposition，September 12 16 ， Univ de Ovi

12、edo，Gijon，Spain， 2010 ： 1129 1135 4 Abe T，Akagi H A 6kW，2kWh lithiumion battery energy storage system using a bidirectional isolated dcdc converterC/ / Power Electronics Conference，June 21 24 ，2010 ，Tokyo，Ja2010 ： 46 52 pan， 5 ik W A A De Doncker，Deepakraj M Divan，Mustansir H Kheraluwala A threephas

13、e softswitched high power density dc / dc converter for high power applicationsJ IEEE Transactions on Industry Applications， 1991 ， 27 （ 1 ） ： 63 73 6 Demetriades G D，Nee H P Characterization of the dualactive bridge topology for highpower applications employing a duty cycle modulationC/ / Power Ele

14、ctronics Specialists Conference， June15 19 ， 2008 ，hodes，Greece， 2008 ： 2791 2798 7 BAI Hua，NIE Ziling，Chris C M Experimental comparison of traditional phaseshift，dualphaseshift，and modelbased control of isolated bidirectional DCDC convertersJ IEEE Transactions 2010 ， 25 （ 6 ） ： 1444 1449 on Power E

15、lectronics， 8 German G O，Guillermo O，Garcia Switching control strategy to minimize dual active bridge converter lossesJ IEEE Transac- Fig 18 電流 （ / 50A/div） 開關(guān)信號(hào) S1，S3 S2，S4 電壓 （ / 300V/div） Uab ir 圖 19 輸出功率 18 kW 時(shí)變換器的電壓、 電流波形 Voltage and current waveforms of 18 kW power output Fig 19 實(shí)驗(yàn)分別在 DC / DC

16、 變換器采用不同的電壓輸 入輸出增益 M 時(shí)， 在不同的負(fù)載下， 采用功率分析 儀對 DC / DC 變流器輸入側(cè)通過不控整流橋從電網(wǎng) 側(cè)吸收的功率 P i 和輸出側(cè)負(fù)載 o 消耗的功率 P o 進(jìn)行測算， 將在不同情況下得到的 DC / DC 變流器的 結(jié)果如圖 20 所示。 整體效率 f 進(jìn)行比較， Po=4.5kW，f=98.1% Po=4.5kW，f=95.1% Po=18kW，f=97.5% Po=18kW，f=93.6% Po=4.5kW，f=94.9% Po=18kW，f=93.1% M=1 M=1 M>1 tions on Power Electronics， 2009

17、， 24 （ 7 ） ： 1826 1838 9 Ortiz G，Biela J，Bortis D，Kolar J W 1 megawatt， 20 kHz，isoDC converter for renewlated，bidirectional 12 kV to 1. 2 kV DCable energy applicationsC/ / Power Electronics Conference，June 21 24 ， 2010 ，Singapore 2010 ： 3212 3219 10 obert Lenke，F(xiàn)lorian Mura，ik W De Doncker Compariso

18、n of nonresonant and superresonant dualactive ZVSoperated highpower DCDC convertersC/ / Power Electronics and Applications，September 8 10 ，Barcelona，Spain 2009 ： 1 10 11 LI Xiaodong，Ashoka K S Bhat Analysis and design of highfrequency isolated dualbridge series resonant DC / DC converter J IEEE Tran

19、sactions on Power Electronics，2010 ，25 （ 4 ） ： 850 862 12 De Simone S， Adragna C， Spini C，et al Designoriented steady state analysis of LLC resonant converters based on FHAC/ / Power Electronics，Electrical Drives，Automation and Motion， May 23 26 ， 2006 ，Italy 2006 ： 200 207 圖 20 Fig 20 不同負(fù)載時(shí)的效率比較 Ef

20、ficiency curves of different loads 實(shí)驗(yàn)表明： 在相同負(fù)載的情況下， 采用電壓增益 M = 1 的模式時(shí) DC / DC 變換器的效率最高。 隨著 開關(guān)管損耗增大， 造成系統(tǒng)的效率下 負(fù)載的增加， 降。M = 1 的模式仍然能夠保證相同負(fù)載情況下變 換器的效率最大。 5 結(jié) 論 本文以一種 LC 串聯(lián)諧振式帶變壓器隔離的雙 建立了該變換器 向全橋 DC / DC 變換器為研究對象， 的近似等效電路模型并推導(dǎo)了其功率傳輸?shù)谋磉_(dá) 式。通過對變換器的功率傳遞方式和換流過程的分 析， 提出了一種在寬范圍負(fù)載下， 均能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的 （ 下轉(zhuǎn)第 35 頁） 第 12 期

21、管春偉等： 超臨界汽輪發(fā)電機(jī)定子股線堵塞對溫度分布的影響 of Harbin Electrician， 1981 ， 4 （ 1 ） ： 7 23 35 LI Weili， SUN Hongli， YU Haitao Calculation and analysis of unsaturated synchronous reactance， eddy current distribution in windings and temperature field for air cooled turbo generator J Transactions of China with differen

22、t stator windings structures Electrotechnical Society， 2011 ， 26 （ 2 ） ： 50 58 11 程福秀， 林金銘 現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計(jì)M 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 1993 ： 169 179 12 湯蘊(yùn)璆 電機(jī)內(nèi)的電磁場M 北京： 科學(xué)出版社， 1998 ： 218 219 ， 265 266 ， 270 273 13 謝德馨 用有限元法計(jì)算矩形槽內(nèi)載流導(dǎo)體的集膚效應(yīng)J 1981 ， 4 （ 1 ） ： 7 23 哈爾濱電工學(xué)院學(xué)報(bào)， XIE Dexin Calculation of the skin effect in the c

23、urrentcarrying Journal rectangular conductor with the finite element methodJ 14 王福軍 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析 CFD 軟件原理與應(yīng)用M 2004 ： 7 10 ， 120 124 北京： 清華大學(xué)出版社， 15 章梓雄， 北京： 清華大學(xué)出版社， 董曾南 粘性流體力學(xué)M 1998 ： 48 142 16 （ 美） J P 霍 爾 曼 （ J P Holman ） 傳熱 學(xué) （ 英 文版原書第 9 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2005 ： 3 12 ， 218 228 版） M 17 LI Junqing， LI Hem

24、ing A thermal model for the watercooled stator bars of the synchronous generatorC/ / Proceedings of 2002 International Conference on Power System Technology，October 2002 ，Kunming，China 2002 ： 756 760 13 17 ， ( 編輯: 劉素菊 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 （ 上接第 27 頁） 13 LI Xiaodong，Ashoka K S Bhat AC equivalent circuit analysis for highfrequency isolated dualbridge series resonant DC / D