双向DCDC变换器的拓扑研究

第27卷 第13期 2007年5月 中 国 电 机 工 程 学 报

Proceedings of the CSEE Vol.27 No.13 May 2007

©2007 Chin.Soc.for Elec.Eng.

文章编号：0258-8013 (2007) 13-0081-06 中图分类号：TM46 文献标识码：A 学科分类号：470 40

双向DC/DC变换器的拓扑研究

童亦斌，吴 峂，金新民，陈 瑶

（北京交通大学电气工程学院，北京市 海淀区 100044）

Study of Bi-directional DC/DC Converter

TONG Yin-bin, WU Tong, JIN Xin-min, CHEN Yao

(School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Haidian District, Beijing 100044, China)

ABSTRACT: This paper first introduces several typical

topologies of isolated bi-directional DC/DC converter. Based on the analysis and comparison of the main characteristics and applications of each typical topology, this paper presents a novel topology of isolated bi-directional DC/DC converter. The compact structure and the adoption of the synchronous rectify technique make the whole system possess the advantages of high efficiency, high control performance and low cost. The circuit structure, working principle and design procedures are introduced and analyzed in detail. Experimental waveforms are given to demonstrate the goodness of this novel topology. KEY WORDS: bi-directional DC/DC converter; circuit topology; synchronous rectifier; PWM;

摘要：首先分类介绍了几种典型的隔离式双向DC/DC变换器电路，并对其主要特点和应用领域进行了比较和分析。在此基础上，提出了一种新颖的隔离式双向DC/DC变换器拓扑，该拓扑结构简洁，并可应用同步整流技术，使得整个设计具有高效率、高控制性能、低成本等特点。该文介绍了电路结构、详细分析了工作原理和设计要点，最后给出了实验波形，验证了这种电路拓扑的优越性。

关键词：双向DC/DC变换器；电路拓扑；同步整流；脉宽调制

DC/DC变换器应用较多，电路拓扑有多种变化形

式，前人在这一领域也做了不少研究工作。

本文首先介绍了传统隔离式双向DC/DC变换器的典型拓扑，并结合其应用领域分析了各种拓扑的优缺点。在此基础上，本文提出了一种新颖的基于单端正激电路的双向DC/DC变换器拓扑。与传统的同功率等级变换器相比，该拓扑具有结构简洁、系统成本低、控制方法简单、工作效率高等特点。本文介绍了该拓扑的电路构成、详细分析了电路的工作原理和设计要点，最后给出了相应的实验波形。

1 传统的隔离式双向DC/DC变换器

1.1 电压源双向DC/DC变换器

传统的隔离式双向DC/DC变换器电路拓扑种类繁多、各具特色。但万变不离其宗，总的来看，都可以认为是全桥电路、半桥电路、推挽电路的不同组合或它们的变形电路的不同组合。具体来说，可以根据直流源的情况分为电压源双向DC/DC变换器和电流源双向DC/DC变换器两个种类[3-4]。

电压源双向DC/DC变换器通用表现形式如图1所示。在变换器隔离变压器两端各有一个高频整流/逆变单元，整个电路的双向能量传递就由这2个整流/逆变单元和高频变压器共同完成。

图2(a)、(b)为较常见的电压源双向DC/DC变换器电路。其中，图2(a)使用2个全桥电路来实现高频整流/逆变单元的作用，可称为电压源全桥式双

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0 引言

双向DC/DC变换器是DC/DC变换器的双象限运行。它的输入、输出电压极性不变，输入、输出电流的方向可以改变。双向DC/DC变换器实现了能量的双向传输，在功能上相当于2个单向DC/DC变换器，是典型的“一机两用”设备。在需要能量双向流动的应用场合可以大幅度减轻系统的体积重量及成本，极具研究价值，现已被广泛应用于UPS系统、航天电源系统、电动汽车驱动及蓄电池充放电维护等场合[1-2]。一般来说，双向DC/DC变换器可分为隔离式和非隔离式2种。其中隔离式的双向

图1 电压源双向DC/DC变换器的通用表现形式 Fig.1 General topology of voltage source BDC

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向DC/DC变换器。该拓扑通常采用移相的方法来控制功率的流向和大小，所以又称电压源全桥移相式双向DC/DC变换器。该拓扑常用在大功率场合，主要优点为控制方法较为简单，且可以通过引入有源钳位电路、无源谐振电路和饱和电感使全部功率开关管均工作在软开关状态；缺点为环流能量较大，且由于主要使用变压器漏感传递能量，所以降低了变换器效率，增加了功率变压器的设计成本[5-6]。

图2(b)为另一种常见的电压源双向DC/DC变换器电路，多用于中、小功率场合。其变压器原边为半桥电路、次边为推挽电路。这种拓扑的主要特点是控制方法成熟，系统可靠性高。但是，为避免出现磁通的不平衡，该拓扑的应用对变压器的设计和制造工艺都有较高要求[4,7]，而这也在一定程度上限制了这种拓扑的广泛应用。

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(a) 全桥式拓扑

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(b) 原边半桥、次边推挽式拓扑

图2 常见的电压源双向DC/DC变换器电路 Fig. 2 General circuits of voltage source BDC

1.2 电流源双向DC/DC变换器

电流源双向DC/DC变换器的通用表现形式如图3所示。除了在隔离变压器两端各有一个高频整流/逆变单元外，该拓扑还需在电流源侧设置电感来抑制电流纹波和减小电解电容体积。

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图3 电流源双向DC/DC变换器的通用表现形式 Fig.3 General topology of current source BDC

图4(a)、(b)所示为较常见的电流源双向DC/DC变换器电路。其中，图4(a)所示为电流源全桥式双向DC/DC变换器，多用于电源侧为电流源的大功率应用场合。与电压源全桥式双向DC/DC变换器类似，该拓扑一般也采用移相方法来控制功率的流向和大小，而且也可以采取一定措施使得各开关管工作于软开关状态。该拓扑的主要缺点为固有的瞬

万方数据

态电压尖峰和启动问题。虽然有文献介绍了在该电路中增加一个简单的电压钳位支路来改善瞬态电压尖峰问题的办法，以及在电路中增加一个反激绕组结合使用非移相式PWM控制来实现软启动的方 法[3,8-12]，但目前这两个问题得仍是制约这种电流源全桥式双向DC/DC变换器得到广泛应用的主要因素。

图4(b)所示为另一种常见的电流源双向DC/DC变换器拓扑。该拓扑变压器原边为电流型推挽电路，次边为混合桥式电路。在实际应用当中，该拓扑多用于中、小功率场合。与图2(b)所示的同功率等级电压源拓扑类似，图4(b) 所示的电流源双向DC/DC变换器拓扑同样具有控制方法成熟，系统可靠性高等优点。但推挽电路固有的对主变压器设计和制造工艺的较高要求使得这种拓扑的应用也具有一定的难度[13-14]。

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(b) 原边推挽电路、次边混合桥式拓扑

图4 常见电流源双向DC/DC变换器拓扑 Fig. 4 Phase voltage harmonic spectrum

2 一种新颖的隔离式双向DC/DC变换器

2.1 电路构成

基于以上研究，本文提出了如图5所示的一种新颖的、基于单端正激变换器拓扑、带同步整流技术的双向DC/DC变换器。系统由变压器T及其磁复位电路，主开关管Q1、整流管Q2和续流管Q3，输出滤波环节L1、C2等部分组成。该拓扑 …… 此处隐藏：15049字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……