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1、PWM加相移复合控制双向DC/DC变换器优化设计2007-10-17 19:46:09字体大小： + 摘要:提出了 5 kW PWM加相移复合控制双向DC/DC变换器的优化设计根据不同的开关器件MOSFEWIG BT和不同的输入电压42V/380V,依据开关损耗模型设计开关损耗最小的双向DC/DC变换器根据PWM加 相移复合控制的原理,提出了一种新的控制方案.关键词:相移控制:PWM控制:双向直流变换器O 引言双向 DC/DC 变换器可广泛应用于直流不停电电源系统、航灭电源系统、电动汽车等应用场合.传统的相 移控制双向DC/DC变换器不需要辅助开关就可以实现ZVS软开关当输入电压和输出电压的幅
2、值不匹配时, 相移控制双向DC/DC变换器有较大的电流应力而且软开关范围会减小.PWM加相移复合控制双向DC/DC 变换器解决了上述问题.1 PWM 加相移复合控制的工作原理图丨是相移控制的双向DC/DC变换器在隔离变压器两侧各有两个开关开关S1(S3)和S2(S4)是互补工作 的，占空比是0. 5,电感L1是能量传输器件图2是相移控制的概念图图4(a)是当等效输入电压vab幅值等 于等效输出电压Vcd幅值，即V1/2=nV2,n=Np:Ns是变压器变比时相移控制的原理波形图当等效输入电压 vab幅值不等于等效输出电压vcd幅值时，图4(b)是V1/2图1 相移控制双向DC/DC变换器图2 相
3、移控制的概念图图3 PWM加相移复合控制的概念图2 变换器的开关损耗分析PWM加相移复合控制双向DC/DC变换器如图1所示，开关S1(S3)和S2(S4)是互补工作,S1的占空比等于 S3的占空比，即D=n V2/V1,S2的占空比等于S4的占空比当输入电压和输出电压改变时,占空比也随之改变. 当S1(S2)的驱动脉冲领先于S3(S4)的驱动脉冲，变换器工作于正向模式,能量由V1流向V2 当S1(S2)的驱动 脉冲落后于S3(S4),变换器工作于反向模式，能量V2流向V1.L1是变压器漏感和外串小电感之和，是能量传 输器件.图 5是一个开关周期中,正向模式工作下的关键波形.I )-0.5V.i
4、hVcd心 1 7 J!川f IIVxfl-nViri;、厂(a) 相移控制的原理波形比/2=汕2(h) 相移控制的原理波形l-72=n.r2V,hVcd皿Ucd为了设计最小开关损耗的PWM加相移复合控制双向DC/DC变换器，本文分析了基于不同器件MOSFET 或IGBT,不同输入电压等级42V或380V的开关损耗./-川 Ml图6 S.开通和关断睡间的波形L在图6中,vgsl是开关S1的驱动脉冲,vdsl是开关S1漏源电压,vD1是S1反并联二极管的电压波形,iS1 是开关S1的电流波形,iD1是开关S1反并联二极管的电流波形.TDlon为S1体内二极管的导通时间.tdead 12为S1和S
5、2间的死区时间变换器的所有开关可以工作在ZVS下，开通损耗可以忽略开关的损耗包括通 态损耗和关断损耗通态损耗由反并联二极管的通态损耗PD1和主开关的通态损耗PS1 on组成当开关关断 时，假设开关的并联电容被恒定的电感电流线性充放电，开关的端电压线性下降以开关S1是MOSFET情况 为例,计算其通态损耗和关断损耗.S1的导通时间是tc到tl,其等效电阻为RS1.通态损耗是电流流过其通态电阻产生的损耗.I ki (t j | R dt為肿不一-一(1)S1反并联二极管的导通时间是tb到tc,其通态损耗是电压和电流的积分,可按式(2)计算.S1在tl时刻关断，到了 t2时刻电流下降到0关断损耗足电
6、压和电流的积分,可按式(3)计算.人肋(帕(3)所以,Si的开关损耗P I二P 1“汁戶Hon+P 皿(4)设定仿真参数:开关频率f=100 kHz,移相角0=45占空比D=nV2/V1=0.5.输出功率Pout=5kW.表1给出了 4种不同器件和不同输入电压等级的电路设计方案.表14种电路设计方案电路50)Input/V0 Lil pul/V打/julHAMOSFE1IGBT423801：182733MOSFETMOSFET4238()l：l2733CMOSFETIGBT380429：26769DMOSFErMOSFET380429：26769如图7所示为变换器工作在(5kW)正向模式下,4
7、种电路设计方案的效率比较和正向输出5kW时各个开关的损耗直方图损耗直方图从左到右依次为开关SI、S2、S3、S4的通态损耗、关断损耗、总损耗.输出nw时卄关损耗旳分tS：SjS3S4 1000200030004(X)05000损耗 损盹 扌蓟耗 撮軽Output Power.XV总报耗(a)电路设计方案A(b)电路设计方案B(c)电路设计方案(：(d)电路设计方案D图7 4种电路设计方案在5 kft时开关损耗和效孚曲线图8 PWM加相移复合控制的控制框图由此可以看出,器件的通态损耗是主要的,不同的器件和不同输入电压等级构成的电路设计方案对效率有 很大影响开关损耗最小的是电路A和电路D.但是电路
8、D中，开关损耗主要由S4组成，开关S4的损耗在5k W达到了 150W,这对于开关S4的热没计带来很大问题与之相比，电路A中，开关损耗主要由S1和S2平均 组成，这对电路的工作是有利的.因此电路设计方案A是优化的.3双向DC/DC变换器的控制框图根据变换器的原理,本文提出了一种新的控制方案,如图 8所示.电路的正向和反向工作方式由正向/反向 控制信号控制两个复用器(MUX)切换当电路正向工作时，反馈电压电流分别是输出电压和输出电流电压外 环经过PI后作为电流的参考,电流内环的误差经过PI后调节电路的移相角电路的占空比由输入电压和输出 电压经过运算,即 D=nV2/V1 得到.4 结语本文分析了不同器件和输入电压对电路效率的影响分析表明,SI和S2用M0SFET,S3和S4用IGBT,低压42V放在输入侧是优化的方案本文提出了一种新的控制方法，可以同时调节电路的占空比和移相角.
