双向隔离式DC-DC变换器

山东大学硕士学位论文

摘要………………………………………………………………………………ＩＡＢＳＴＲＡＣＴ………………………………………………．……………………………………………ＩＩ符号说明………………………………………………………………………．．ＩＶ第１章绪论……………………………………………………………………．．１１．１课题研究背景与意义……………：……………………………………１１．１．１可再生能源转换系统…………………………………………．１

１．１．２航空航天系统…………………………………………………．２

１．１．３电动汽车系统…………………………．．………………………２１．２双向ＤＣ／ＤＣ变换器拓扑结构………………………………………一３１．３单、三相隔离型双向ＤＣ／ＤＣ变换器控制策略……………………．．５１．４本文主要的研究内容……………………………………………ｊ……６第２章单相隔离型双向全桥ＤＣ／ＤＣ变换器…………………………………８２．１单移相控制的理论分析………………………………………………．８２．２双移相控制（一）的理论分析…………………………………………．１３２．２．１双移相控制（一）的稳态分析…………………………………．１３

２．２．２双移相控制（一）电感电流应力优化分析……………………．１９

２．２．３双移相控制（一）回流功率优化分析…………………………．２４２．３双移相控制（二）的理论分析…………………………………………．２９２．３．１双移相控制（二）的稳态分析…………………………………．．２９

２．３．２双移相控制（二）电感电流优化分析……………………．……３２２．４本章小结………………………………………………………………３７第３章三相隔离型双向桥式ＤＣ／ＤＣ变换器………………………………．３客３．１采用Ｙｙ０连接的－－ｋ－Ｈ隔离型双向桥式ＤＣ／ＤＣ变换器稳态分析…３８３．２采用Ｙｄ０连接的三相有源全桥ＤＣ／ＤＣ变换器稳态分析…………４２３．３三相变换器软开关实现………………………………………………４６３．３．１软开关实现条件分析…………………………………………４６

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３．３．２采用Ｙｙ０连接的三相ＤＣ／ＤＣ变换器软开关仿真…………４８

３．３．３采用Ｙｄｌ连接的三相变换器软开关实现仿真………………５１３．４单、三相变压器功率比较…．………………………………………．．５３３．４．１理论分析………………………………………………………５３

３．４．２ａｎｓｏｆｔ仿真分析…………………………………………………５６３．５本章小结………………………………………………………………６４第４章实验平台搭建及实验验证……………………………………………６５４．１主电路设计……………………………………………………………６５４．１．１开关器件的选择………………………………………………６５

４．１．２高频变压器设计………………………………………………６６４．２辅助电路设计…………………………………………………………６８４．２．１驱动电路设计…………………………………………………６８

４．２．２保护电路设计…．………………………………………………７０

４．２－３采样调理电路设计……………………………………………７ｌ４．３控制电路设计…………………………………………………………７１４．３．１控制芯片选取…………………………………………………７１

４．３．２移相脉冲的产生………………………………………………７ｌ

４．３．２软件设计…………………………………．．…………………．．７２。４．４实验验证………………………………………………………………７５４．４．１双移相控制（一）电感电流应力优化控制实验………………．７６

４．４．２双移相控制（一）回流功率优化控制实验……………………．７８４．５本章小结………………………………………………………………８０第５章总结与展望……………………………………………………………８ｌ５．１总结…………………………………………………………………………………………．８１５．２展望…………………………………………………………………………………………．８１参考文献………………………………………………………………………．．８３致谢……………………………………………………………………………………………………．．８９在读期间发表的学术论文……………………………………………………．．９０

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ＣＯＮＴＥＮＴＳ

ＡＢＳＴＲＡＣＴ（Ｃｈｉｎｅｓｅ）………………………………………………………………………………．．ＩＡＢＳＴＲＡＣＴ（Ｅｎｇｌｉｓｈ）………………………………………．………………………………………ＩＩＳｙｍｂｏｌｓ…………………………………………………………………………………………………．ＩＶＣｈａｐｔｅｒ１Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ………………．．…………．．…………………………………………………１１．１Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄａｎｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｔｏｐｉｃｓ………………………………．．１１．１．１Ｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｎｅｒｇｙｅｎｅｒｇｙｃｏｎｖｅｒｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ………………………．．１

１．１．２Ａｅｒｏｓｐａｃｅｓｙｓｔｅｍ………………………………………………………………２

１．１．３Ｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓｙｓｔｅｍ………………………………………………………２１．２Ｂｉ—ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＤＣ／ＤＣｃｏｎｖｅｒｔｅｒｔｏｐｏｌｏｇｙ………………………………………．．３１．３ＳｉｎｇｌｅａｎｄｔｈｒｅｅｐｈａｓｅＩＢＤＣｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．５１．４Ｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ………………．……………………………………．．６Ｃｈａｐｔｅｒ２Ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅＩＢＤＣ……………………………………………………………………．．８２．１ＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆＳＰＳｃｏｎｔｒｏｌ…………………………………………………８２．２ＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆＤＰＳ１ｃｏｎｔｒｏｌ……………………………………………．１３２．２．１Ｓｔｅａｄｙ—ｓｔａｔｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆＤＰＳｌｃｏｎｔｒｏｌ…………………………………．１３

２．２．２Ｃｕｒｒｅｎｔ—ｓｔｒｅｓｓ—ｏｐｔｉｍｉｚｅｄＤＰＳｌｃｏｎｔｒｏｌ………………………………．．１９

２．２．３Ｂａｃｋｆｌｏｗ—ｐｏｗｅｒ－ｏｐｔｉｍｉｚｅｄＤＰＳｌｃｏｎｔｒｏｌ……………………………．２４２．３ＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆＤＰＳ２ｃｏｎｔｒ０１．…．．…．…．…．．．．…．……．…．…．．………．．２９２．３．１Ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆＤＰＳ２ｃｏｎｔｒｏｌ…………………………………．２９

２．３．２Ｃｕｒｒｅｎｔ－ｓｔｒｅｓｓ—ｏｐｔｉｍｉｚｅｄＤＰＳ２ｃｏｎｔｒｏｌ………………………………一３２２．４Ｃｈａｐｔｅｒｓｕｍｍａｒｙ………………………………………………………………………．．３７Ｃｈａｐｔｅｒ３Ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅＩＢＤＣ………………………………．……………………………………３８３．１Ｓｔｅａｄｙ—ｓｔａｔｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅＩＢＤＣｂａｓｅｄｏｎＹｙ０ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ．．３８３．２Ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅＩＢＤＣｂａｓｅｄｏｎＹｄｌｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ．．４２３．３Ｓｏｆｔｓｗｉｔｃｈｏｆｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅＩＢＤＣ……………．……………………………………．４６３．３．１Ｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｔｏｒｅａｌｉｚｅｓｏｆｔｓｗｉｔｃｈ．．…．．．…．…．．……．……．………．…４６

３．３．２Ｓｏｆｔ—ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＩＢＤＣｂａｓｅｄｏｎＹｙＯｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ．４８

３．３．３Ｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＩＢＤＣｂａｓｅｄｏｎＹｄｌｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ…５１３．４Ｃｏｍｐａｒａｔｉｏｎｏｆｓｉｎｇｌｅａｎｄｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｐｏｗｅｒ………………．５３３．４．１Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ……………………………………………………………５３

３．４．２ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｎｓｏｆｔ………………………………………………．５６３．５Ｃｈａｐｔｅｒｓｕｍｍａｒｙ………………………………………………………………………．．６４

ｐｌａｔｆｏｒｍａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．６５Ｃｈａｐｔｅｒ４Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ

４．１Ｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎ……………………………………………………………………．．６５４．１．１Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇｄｅｖｉｃｅ………………………………………．．６５

４．１．２Ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｄｅｓｉｇｎ……………………………………．．６６４．２Ａｕｘｉｌｉａｒｙｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎ…………………………………………．……………………．６８４．２．１Ｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎ……………………………………………………………６８

４．２．２Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎ……………………………………………………．７０

４．２．３Ｓａｍｐｌｉｎｇａｎｄｍｏｄｕｌａｔｅｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎ……………．……………………７１ｔ４．３Ｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎ…．．；……………………………………………………………．．７１４．３．１Ｃｏｎｔｒｏｌｃｈｉｐｓｅｌｅｃｔｉｏｎ………………………………………………………．．７１

４．３．２Ｐｈａｓｅｓｈｉｆｔｐｕｌｓｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ…………………………．．……………………７１

４．３．２Ｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎ…………………………………………………………………７２４．４Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ……………………………………………………………．．７５４．４．１Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｏｆｃｕｒｒｅｎｔ－ｓｔｒｅｓｓ—ｏｐｔｉｍｉｚｅｄＤＰＳ１ｃｏｎｔｒｏｌ…………７６

４．４．２Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｏｆｂａｃｋｆｌｏｗ—ｐｏｗｅｒ－ｏｐｔｉｍｉｚｅｄＤＰＳｌｃｏｎｔｒｏｌ……．．７８４．５Ｃｈａｐｔｅｒｓｕｍｍａｒｙ．．……………………………………………………………………．．．８０Ｃｈａｐｔｅｒ５ＳｕｍｍａｒｙａｎｄＯｕｔｌｏｏｋ…………………………………………………………．．…．８１５．１Ｓｕｍｍａｒｙ……………………………………………………………………………………８１５．２Ｆｕｒｔｈｅｒｗｏｒｋ………………………………………………………………………………．８１Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ……………………………………………．………………………………………………．．８３Ａｃｋｎｏｗｌｅｄｇｅｍｅｎｔｓ…………………………………………………………………………………．８９Ｐａｐｅｒｓｐｕｂｌｉｓｈｅｄｄｕｒｉｎｇｇｒａｄｕａｔｅｓｃｈｏｏｌ…………………………．：………………………．．９０

摘要

双向ＤＣ／ＤＣ变换器能够在保持变换器两端电压极性不变的情况下实现能量的双向流动，相对传统的单向Ｄ∞Ｃ变换器节省了器件数目，减小了变换器的体积，提高了系统功率因数。随着电动汽车、不间断电源（ＵＰＳ）、风能发电等绿色能源的快速发展，双向ＤＣ／ＤＣ变换器得到越来越广泛的应用。

本文主要介绍了单相隔离型双向全桥ＤＣ／ＤＣ变换器和三相隔离型双向桥式ＤＣ／ＤＣ变换器的工作原理，并对其控制方法进行了研究。

单相隔离型双向全桥ＤＣ／ＤＣ变换器拓扑结构因具有结构对称、易实现软开关及能量双向流动等特点广泛应用于中大功率场合。该拓扑结构最常采用单移相控制方式，具有控制简单、容易实现、动态响应快等特点；但当输入输出电压不匹配时，变换器回流功率变大、电流应力增高，致使系统损耗增加且对开关管的要求更为苛刻。为了解决单移相控制方式存在的弊端，‘本文对两种双移相控制方式进行了介绍，建立了系统输出功率、回流功率及电感电流应力的数学模型，并进行了分析。为了减小系统回流功率及电感电流应力，本文提出了基于双移相控制的回流功率及电感电流应力优化控制策略，该控制策略根据传输功率及输入／输出电压调节比所处的不同范围，采用分段优化方法，得出各范围内的优化内移相比。通过仿真计算，对比研究了该优化策略与单移相控制下的回流功率及电感电流应力曲线，说明所提出的优化控制策略能够减小系统的回流功率及电感电流应力，降低系统损耗，增加系统功率容量，在变换器轻载或电压调节比较大时，效果更为明显。文中给出了详细的优化控制算法和系统控制方案，并基于该方案设计制作了实验样机。实验结果验证了所提出双重移相回流功率最优控制策略的有效性与可行性。

三相隔离型双向桥式ＤＣ／ＤＣ变换器具有较大的功率容量，一般应用在大功率场合。本文对变压器采用Ｙｙ０及Ｙｄｌ连接的三相变换器工作原理进行了分析，理论推导出软开关实现条件，利用ｐｓｉｍ仿真软件进行了仿真验证；此外，对采用Ｙｙ０、Ｙｄｌ连接的三相变压器的功率密度进行了理论计算和分析。

关键字：ＤＣ／ＤＣ变换器；移相控制；回流功率；电流应力；高频变压器