数字控制双向半桥DC-DC变换器的设计

**大学毕业设计（论文）

C1LrLV1S1C2S2V2

图1-9 恒频零电压开关多谐振双向DC-DC变换器

Fig1-9 ZVS mul-resonance bi-directional DC-DC converter with constant frequency

2) 准方波零电压PWM双向DC-DC变换器

如图1-10所示，开关以互补方式工作。变换器在主功率电感的作用下，每一个开关在其开通前，有电流流经其反并联二极管，两端电压被降低到零，这样为功率开关提供了零电压开通条件。该技术的优点是拓扑与常规硬开关双向DC-DC变换器相同，恒频控制，但缺点是存在的电流纹波超过两倍负载电流，因此该变换器的开关器件通态损耗和主电感电流纹波过大，造成磁芯损耗较高，影响了变换效率。为减小变换器的损耗，一般采用并加功率管和多模块技术。

D1LV1S1D2S2V2

图1-10 准方波零电压PWM双向DC-DC变换器

Fig1-10 Quasi-square wave ZVS PWM bi-directional DC-DC converter

3) FB-ZVS-PWM双向DC-DC变换器[18]

桥式双向DC-DC变换器较容易通过相移控制实现软开关，优点是控制简单，恒频控制，而且一般不用增加辅助器件即可实现软开关，对系统的寄生参数不敏感，变换器中器件的电压电流应力较小，较适于高压场合，同单向DC-DC桥式变换器类似，变换器桥臂内部开关管互补工作，利用隔离变压器漏感中储备的能量来实现桥臂的零电压开关。同样，不足之处是变换器存在较大内部循环能量，通态损耗较高，轻载时

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不能实现软开关工作。

4) 无源缓冲器类双向DC-DC变换器

无源缓冲器技术是给变换器加入无源网络来软化变换器中有源开关元件的开关过程，吸收过冲。优点是没有额外引入辅助有源开关，不增加原变换器的控制复杂度。如图1-11所示，其中Cr，Lr，Dr，Dp组成了额外加入的无源缓冲网络，它吸收了副边电压回馈电路中的电压尖峰，相对于最简单的RCD吸收器，它基本不消耗功率，其缺点是不能完全抑制电压尖峰，只是缓冲。

L0Q1TV1LDrV2Q3S1S3CrDpS2S4Q2Q4Lr

图1-11 一种应用无源缓冲器的桥式双向DC-DC变换器 Fig1-11 A bridge bi-directional DC-DC converter using the passive buffer

5) 有源缓冲器类双向DC-DC变换器

通过加入一些有源缓冲器来达到零电压转换(ZVT)或零电流转换(ZCT)为目的的拓扑结构，它们的共同点是变换器基本保持一般的PWM方式工作，额外引入的辅助有源开关和辅助谐振网络，只是在主开关管开通或关断之前工作一小段时间，使得主开关管工作于软开关状态，此外，器件的电压应力较小。这类变换器的缺点是所需辅助开关管数目与主开关管数目一样多，而且往往辅助管工作为硬开关或软开关的条件不理想。

6) 有源钳位类双向DC-DC变换器[19]

有源钳位技术近十年来在单向DC-DC变换器中得到了广泛的应用，通过加入有源钳位支路能有效地将主开关管关断后的电压钳位，去除了电压过冲和振荡，减小了器件的电压应力，而且在一定条件下也可实现软开关。当然有源钳位技术也可用于双向DC-DC变换器，如图1-12所示，Sc，Cc组成了有源钳位辅助回路。该种拓扑的

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优点是:①消除了无有源钳位辅助回路时电流馈全桥端存在电压应力大的缺陷;②在正向工作中，变换器以有源钳位隔离式Boost电路方式工作，变换器左端全桥和辅助钳位开关管均可工作于ZVS状态;反向工作中，变换器右端的全桥以移相方式工作，并通过左端全桥和辅助钳位管的配合工作，削减了移相工作中变换器中的循环能量，同时维持了左端全桥的零电压零电流软开关工作条件。其不足之处有:①正向工作中由于有源钳位工作方式引起的变换器电流应力较大，造成通态损耗变高;②反向工作时，辅助钳位管是硬开关工作的。

L0S1S3TQ1Q3V1C0LV2S2S4Q2Q4

图1-12 有源钳位类双向DC-DC变换器

Fig1-12 Bi-directional DC-DC converter with the active clamper

1.5 本论文的目的和主要工作

双向DC-DC功率变换器要在电动汽车、航天等许多应用场合获得实际应用仍面临三大问题，即双向DC-DC功率变换器的功率密度、电磁兼容性和成本问题。软开关技术是解决功率密度和电磁兼容性问题的关键技术。目前双向DC-DC功率变换器的软开关方法主要可以分为采用辅助开关软开关方法和不采用辅助开关软开关方法。采用辅助开关的软开关法有：零电压转换（ZVT）和零电流转换（ZCT）双向DC-DC功率变换器、有源钳位双向DC-DC功率变换器。零电压转换（ZVT）和零电流转换（ZCT）双向DC-DC功率变换器结合了PWM工作和谐振变换器的优点，但需要额外引入辅助开关，且辅助开关通常为硬开关，在辅助开关上仍存在较大的开关损耗，因此实用性并不高。有源钳位的双向DC-DC功率变换器也结合了PWM工作和谐振变换器的优点，但是也需要额外引入辅

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助开关。典型的有源钳位电流馈全桥式双向DC-DC功率变换器虽然正向工作时可以实现软开关，但反向工作时辅助钳位开关为硬开关。因此，目前，采用辅助开关的软开关双向DC-DC功率变换器存在电路元件多，需要额外引入的辅助开关及其控制电路等缺点，因此影响成本和功率密度。而且，仍存在由于硬开关操作造成的开关损耗和电磁干扰问题。不采用辅助开关软开关方法有：谐振、准谐振、多谐振双向DC-DC功率变换器、准方波零电压开关双向DC-DC功率变换器、相移控制双向DC-DC功率变换器。它们的显著有点是无需增加辅助器件即可实现功率器件的零电压或零电流开关条件，电路简单、可靠、经济。但谐振、准谐振、多谐振技术的双向DC-DC功率变换器由于基于LC谐振工作原理，存在功率器件电压、电流应力大，通态损耗高，软开关的负载范围受限等严重缺陷。而且，它们采用变频控制，电路参数优化困难，最终影响功率密度的提高。软开关准方波零电压开关双向DC-DC功率变换器虽然可以定额工作，但存在电流脉动大、功率器件通态损耗和铁心损耗大的缺点。相移控制双向DC-DC功率变换器具有功率器件电压、电流应力小，额定工作无需增加辅助器件即可实现功率器件的零电压开关条件等优点。但当相移控制双向DC-DC功率变换器的输入电压或输出电压偏离标称电压时，相移控制在电路中造成严重环流，导致通态损耗的迅速增加和软开关条件的破坏。在电动汽车、航天等能量管理系统中，无论是双向DC-DC功率变换器的输入还是输出，电压的变化范围很大，相移控制双向DC-DC功率变换器的应用也遇到了严重的障碍。

考虑到相移控制具有不采用辅助开关即可实现双向DC-DC功率变换器零电压开关的能力，但当输入电压或输出电压偏离标称电压时，环流严重，通态损耗大，软开关范围变窄。而PWM控制具有器件的电压电流应力低、通态损耗小、无环流的优点，但功率开关为硬开关。若能将相移控制和PWM相结合，发挥PWM控制对双向DC-DC功率变换器的输入和输出电压大范围变化适应性强的优势，发挥移相控制具有无须辅助开关即可实现双向DC-DC功率变换器零电压开关的能力优势，就可较好的解决双向DC-DC变换器在目前应用中所遇到的问题。

本文在阅读了大量双向DC－DC变换器的资料，深入了解最新研究动态和方向的基础上，分析介绍了一种新型的中、小功率双向半桥零电压（ZVS）DC-DC变换器的拓扑结构。把软开关技术和PWM控制技术以及双向DC-DC变换器技术有机结合在一起，有效降低了电路的开关损耗和开关噪声，减少了器件开关过程中产生的电磁干扰，为变换器装置提高开关频率、提高效率、降低尺寸及重量提供了良好的条件。同时，还保持了常规的硬开关半桥PWM双向DC-DC变换器中拓扑结构简洁、控制方式简单、开关频率恒定，

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