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一种新型的零电压开关双向DC-DC变换电源

发布时间:2008/5/28 0:00:00 访问次数:496

摘要:介绍了用于中小功率的双向dc-dc变流装置,它能将直流电压从24v提升到240v,也可以将240v直流电压变换成24v。在变流器的两个桥式电路中间使用一个隔离变压器,在不增加电路器件的情况下,实现电能的双向传递,变流器通常工作在降压方式,主直流电源来自交流或燃料电池,主电源向负载提供电能的同时向蓄电池充电,在主直流电源故障的情况下,蓄电池替代主直流电源,向负载供电。使用适当的控制策略,实现元件的零电压开关。在对电源系统的工作原理进行理论分析的基础上,对其进行了仿真和实验验证,证明系统具有转换效率高、性能稳定和电路简单等特点。

关键词:变流器;电源;零电压开关;脉宽调制


引言

在许多场合下,需要有能将直流电源进行双向变换的装置,以燃料电池为能源的电动车驱动系统,就是一例。在该系统中,同时具有普通酸铅蓄电池和燃料电池,普通酸铅蓄电池作为车辆冷起动动力,提供12~24v的低电压电源。起动后,用燃料电池提供150~300v的车辆驱动电压。因此,在电动车起动时,要求能将普通蓄电池输出的12~24v直流电压提升到150~300v,以起动系统开始工作。当系统进入正常工作后,用燃料电池的电能,对酸铅蓄电池进行充电,以恢复电池的能量消耗。双向dc-dc电源也可用于供电系统的直流操作电源中,供电系统的直流操作电源,通常用蓄电池作为后备电源,当使用双向直流变换电源后,可有效地减少后备电池的数量。对双向直流电源通常要求其具有高效、隔离、低辐射等特点,同时也要求电路结构简单,易于控制。


图1 dc-dc双向变换电路结构图

系统的结构及工作原理

双向直流变换系统的结构如图1所示,高频变压器t两侧的电源电压不同,电源能量能进行双向传送。从电路结构看系统具有以下特点。

电路的特点
用变压器作为隔离高、低压侧分别有既可整流又可逆变的变流装置。用igbt或moseft管作为开关器件构成桥式或半桥式整流逆变电路。若在图1的整流逆变或逆变整流框中,用全桥电路代换之,则得到双向dc-dc变换器主电路,如图2所示。为充分发挥电路的功能,在高频变压器的右侧接入一个电感lk,用作电压提升。考虑到在保持功率平衡的条件下,需低压侧提供较大的电流,低压侧的电压波动对高压侧电压的稳定影响较大,因此在高压侧接入储能电感,这样控制输出电压的效果更好。正常情况下的能量流向是,从高压侧向低压侧方向,低压侧的蓄电池处于充电状态,另外低压侧负载需要消耗一定的能量。当能量从低压侧向高压侧流动时,具有短时和大电流的特点,通常只在系统起动或故障状态下出现。


图2 dc-dc双向变换主电路原理图

电路的工作原理
由于在moseft管的d,s端或igbt管的c,e端反并联了二极管,因此2个桥式电路均具有整流功能,逆变时需要对moseft或igbt管加触发脉冲。

低压向高压传送能量的过程
当能量从低压向高压方向传送时,要求m1~m4处于逆变状态,s1~s4处于提升状态。设:gmi为开关器件mi的门极控制电平。gsi为开关器件si的门极控制电平,

对gmi,gsi施加图3所示的控制脉冲,m1,m4导通构成变压器t左侧的正向电流;m2,m3导通构成变压器左侧的反向电流。为实现器件的零电压开关在m1,m4和m2,m3换流过程中加入死区。对s1,s2不加触发脉冲,对s3,s4加图3所示的触发脉冲起电压提升作用。


图3 能量从低压向高压流动时的门极控制脉冲

此阶段电流电压波形如图4所示。等效电路如图5所示。对电路的分析可按以下几个阶段进行,其中电流ilk的波形非常重要,它等于变压器右侧的电流it2


图4 能量从低压向高压流动时变压器右侧电压、电流波形


图5 能量从低压向高压传送过程中各阶段等效电路

阶段1:t1~t2

摘要:介绍了用于中小功率的双向dc-dc变流装置,它能将直流电压从24v提升到240v,也可以将240v直流电压变换成24v。在变流器的两个桥式电路中间使用一个隔离变压器,在不增加电路器件的情况下,实现电能的双向传递,变流器通常工作在降压方式,主直流电源来自交流或燃料电池,主电源向负载提供电能的同时向蓄电池充电,在主直流电源故障的情况下,蓄电池替代主直流电源,向负载供电。使用适当的控制策略,实现元件的零电压开关。在对电源系统的工作原理进行理论分析的基础上,对其进行了仿真和实验验证,证明系统具有转换效率高、性能稳定和电路简单等特点。

关键词:变流器;电源;零电压开关;脉宽调制


引言

在许多场合下,需要有能将直流电源进行双向变换的装置,以燃料电池为能源的电动车驱动系统,就是一例。在该系统中,同时具有普通酸铅蓄电池和燃料电池,普通酸铅蓄电池作为车辆冷起动动力,提供12~24v的低电压电源。起动后,用燃料电池提供150~300v的车辆驱动电压。因此,在电动车起动时,要求能将普通蓄电池输出的12~24v直流电压提升到150~300v,以起动系统开始工作。当系统进入正常工作后,用燃料电池的电能,对酸铅蓄电池进行充电,以恢复电池的能量消耗。双向dc-dc电源也可用于供电系统的直流操作电源中,供电系统的直流操作电源,通常用蓄电池作为后备电源,当使用双向直流变换电源后,可有效地减少后备电池的数量。对双向直流电源通常要求其具有高效、隔离、低辐射等特点,同时也要求电路结构简单,易于控制。


图1 dc-dc双向变换电路结构图

系统的结构及工作原理

双向直流变换系统的结构如图1所示,高频变压器t两侧的电源电压不同,电源能量能进行双向传送。从电路结构看系统具有以下特点。

电路的特点
用变压器作为隔离高、低压侧分别有既可整流又可逆变的变流装置。用igbt或moseft管作为开关器件构成桥式或半桥式整流逆变电路。若在图1的整流逆变或逆变整流框中,用全桥电路代换之,则得到双向dc-dc变换器主电路,如图2所示。为充分发挥电路的功能,在高频变压器的右侧接入一个电感lk,用作电压提升。考虑到在保持功率平衡的条件下,需低压侧提供较大的电流,低压侧的电压波动对高压侧电压的稳定影响较大,因此在高压侧接入储能电感,这样控制输出电压的效果更好。正常情况下的能量流向是,从高压侧向低压侧方向,低压侧的蓄电池处于充电状态,另外低压侧负载需要消耗一定的能量。当能量从低压侧向高压侧流动时,具有短时和大电流的特点,通常只在系统起动或故障状态下出现。


图2 dc-dc双向变换主电路原理图

电路的工作原理
由于在moseft管的d,s端或igbt管的c,e端反并联了二极管,因此2个桥式电路均具有整流功能,逆变时需要对moseft或igbt管加触发脉冲。

低压向高压传送能量的过程
当能量从低压向高压方向传送时,要求m1~m4处于逆变状态,s1~s4处于提升状态。设:gmi为开关器件mi的门极控制电平。gsi为开关器件si的门极控制电平,

对gmi,gsi施加图3所示的控制脉冲,m1,m4导通构成变压器t左侧的正向电流;m2,m3导通构成变压器左侧的反向电流。为实现器件的零电压开关在m1,m4和m2,m3换流过程中加入死区。对s1,s2不加触发脉冲,对s3,s4加图3所示的触发脉冲起电压提升作用。


图3 能量从低压向高压流动时的门极控制脉冲

此阶段电流电压波形如图4所示。等效电路如图5所示。对电路的分析可按以下几个阶段进行,其中电流ilk的波形非常重要,它等于变压器右侧的电流it2


图4 能量从低压向高压流动时变压器右侧电压、电流波形


图5 能量从低压向高压传送过程中各阶段等效电路

阶段1:t1~t2

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