双向DC—DC变换器及其控制方法研究

摘 要：为提高分布式电源的稳定性和效率，本文主要研究了双向DC-DC变换器的结构和控制算法，更具功率的大小，确定本文的主电路。根据传统的相移控制方式，提出双重相移控制方式。在PSCAD仿真软件中搭建仿真模型，用仿真结果验证理论的正确性。最后给出相应的结论：基于全桥的双向DC-DC变换器具有一定的可行性，对今后DC-DC研究领域奠定了一定的理论基础。

关键词：双向DC-DC变换；建模；仿真

1 概述

直流變换器是开关电源的重要主成部分，随着科技的发展，人们的开关电源的要求越来越高，尤其是它的体积，重量等。本论文主要是研制80V到600V的输入输出移相全桥DC-DC变换器。电路拓扑选择和控制方案确定等方面入手，着重分析了双重移相全桥技术，在此基础上给出了相应的仿真电路和数学建模。

2 变换器拓扑主电路及控制方案选择

本论文主要研究80V到600V的双向DC-DC大功率传输，因此鉴于双向桥式DC-DC变换器反应快，传出功率范围大等优点。本变换器的主功率电路采用的是带隔离变压器的双向全桥DC-DC变换器拓扑结构。

为了减小双向全桥DC-DC变换器的功率环流和电流应力，本文在传统移相控制方法的基础上提出一种双重移相控制方法，与传统的控制方法相比，具有更小的功率环流以及电流应力，同时使得传输功率的调节范围扩大，灵活性增强。

3 桥式变换器工作原理及建模分析

双向桥式直流变换器的工作过程，通过控制前后桥的方波的相角，实现对串联电感两端电压的大小的控制，实现能量的双向移动。本文提出的双重移相原理如图1，通过在U1侧全桥中引入移相控制，在t0─t1及t3─t4时间段内，变压器原边侧电压为0，即回流功率为0。进而减小了回流功率，在传输功率一定时，具有更小的电流应力以及通态损耗，提高了传输效率。

4 基于PSCAD的双向桥式DC-DC变换器仿真

在仿真过程中，由于对电路的工作原理以及仿真软件的应用还不是很清晰，所以采取的逐步仿真的方式，即将电路拆解，分块仿真，验证各个模块的工作原理。最后将电路组合，进行整体仿真，验证仿真结果的正误。

首先是探究怎样给出可控的开关管触发信号。在PSCAD软件中没有本课题探究的控制信号，所以只能根据软件中给的自定义模块编写程序，建立相应的模块如图2所示：

其中左边是产生控制信号的，右边是控制产生信号外相移和内相移的，即Td为控制外相移，Ta为控制内相移。建立内外相移的目的是：在仿真过程中可以在线调节参数，控制内外相移，从而达到调节输出量目的。

仿真双向桥式结构电路。根据第四章的控制原理建立仿真模型。相关参数有：串联电感L=5uH，直流电容为C1 = C2 = 3300uF，变压器变比为n1：n2=2：1，开关频率为fs = 10kHz，则一个周期的长度为100us。当前桥外相移为0，内相移为22us；后桥外相移为9us，内相移为5.5us时，输入电压为600V，输出电压为80V。如图3所示。

当前桥外相移为0，内相移为10us；后桥外相移为9us，内相移为1.5us时，输入电压为80V，输出电压为600V。如图4所示。

5 结论

本文主要对双向DC-DC变换器的结构进行了深入的研究，并根据高低压和传输功率的大小对相关的拓扑结构进行了分析，最后得出本文合适的双向桥式DC-DC变换器结构。确定硬件电路和控制方案后，根据其工作原理进行数学建模，计算并分析结果。之后用PSCAD电力电子仿真软件搭建电路模型，进行仿真，用仿真验证了理论的正确性。最后得出相关的结论。

参考文献：

[1]G..C.Hua，C.S.Leu，and FC.Lee，“Novel zero-voltage-transition PWM Converters”Proceedings of VPEC，1992：33-39.

[2]Bing Lu，Wenduo Liu，Yan Liang，Optimal Design Methodology for LLC Resonant Converter.IEEE Transactions on Energy Conversion，2006：533-538.

[3]陈丽茹，周力凡，邓钢.伺服变频器中的电力电子系统的设计与计算[J].东北电力大学学报，2013，33（5）：47-50.

作者简介：

段双明，1984年10月，男，吉林长春人，汉族，研究生学历，东北电力大学助理实验师，工作及研究方向：电力电子技术。