高效隔离型桥式DCDC变换器的研制

v 国内研究现状
• 目前研究成功的大都是独立的降压变换器，用于光伏系统的升 压变换器尚处于起步阶段，样机效率为一般为85%-90%【2】 • 研究重点：光伏系统的专用蓄电池 、适用于光伏系统的大功 率逆变器、用于光伏系统的高效ＤＣ／ＤＣ变换器等
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课题主要研究内容
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高效隔离型桥式DC/DC 变换器的研制
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课题背景 国内外研究进展 主要研究内容 研究方案和技术路线 主要难点及解决方案 预期研究成果 进度安排
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课题背景
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课题背景
背景
• 能源危机，传统能源紧缺 • 化石能源会造成环境污染和生态失衡等一系列问题 • 太阳能资源丰富，分布广，可再生，无污染，且适合分 布式利用 • 中小功率家庭用独立光伏系统可以充分利用分布在用电 需求地点的能源，因此应用越来越广泛，提高光伏发电 中变换器的效率对光伏系统的推广有重要作用。 • 直流升压变换器是家庭太阳能光伏系统的重要组成部分 ，其性能直接影响后级逆变器的工作状况 所以用于光伏 系统的高效DC/DC变换器已经成为现在的研究热点
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课题主要研究内容
光伏系统框图【3】
• 本课题只研究将低压直流电变换成较高点压直流 电的直直（DC/DC）变换器 • DC/DC变换器的主要功能是将低压直流电变换成可 直接逆变成市电的较高电压的直流电
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课题主要研究内容
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课题的主要难点
v 难点二：高频变压器的设计
• ZVS移相全桥DC/DC变换器的变压器属于高频升压 变压器，升压变压器的原边匝数较少，副边的匝 数较多。其线圈的绕制、铁心的选取以及参数的 设计，都不易确定。 • 解决方法：根据课题的输入输出要求，对高频变 压器设计方法：AP法与KG法进行比较，选择出一种 适合于本课题的设计方法，参数选定后应对变压 器进行试制、实验，确定其是否满足设计要求， 若不能满足要求，则要进行反复试制，直至达到 满意的实验效果。
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课题进度安排
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课题进度安排
：搜集资料、提出研究方向； ： ： ZVS移相全桥DC/DC变换器的仿真研究； ZVS移相全桥DC/DC变换器的参数设计与 仿真研究； ： 完成硬件设计和软件编程工作；
：完成样机调试工作 ； ： 撰写论文，准备答辩。
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• •
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课题主要研究内容
v 研制的DC/DC变换器实验样机基本技术指标：
• 输入电压：30~40V • 输出电压：330V左右 • 额定功率：300W
v DC/DC变换器实验样机的功能描述：
• • • • • 有平稳的输出电压，输出电压基本稳定在330V 实现高压电路与低压电路的电气隔离 能够实现最大功率点跟踪（MPPT） 有宽功率范围变换，即较宽的输入电流范围 变换器低损耗，即要求开关管实现软开关
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研究方案和技术路线
v 用于光伏系统DC/DC变换器整流侧的典型拓扑有全 桥整流与全波整流【6】【7】：
全桥整流
全波整流
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研究方案和技术路线
（1）桥式整流输出电压比较平滑，这是因为器件的对称性 要比绕组的对称性好，桥式整流相对全波整流对整流管的 耐压要求低，为全波整流的二分之一。 （2）从电路效率上讲，全桥整流电路变压器副边只使用一 个线圈，与全波整流相比减少了线圈损耗。 （3）结合本课题实际考虑，因为课题要求为升压，副边线 圈匝数必然多于原边线圈匝数，所以若使用全波整流必然 会增大变压器体积，降低电路效率。 因此整流侧选取全桥整流电路
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国内外研究进展
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国内外研究现状
隔离升压式DC/DC变换器发展现状 v 国外研究现状
• 已有成熟产品投入应用，DC/DC变换器效率高于90%【1】 • 研究重点：高效率低成本的DC/DC变换器、最大功率点跟踪技 术 、具有较好调压性能的逆变器、光伏并网电路拓扑、
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研究方案和技术路线
控制方式的选择： 全桥变换器的主电路有不对称控制方式，双极性控制方式， 有限双极性控制方式和移相控制方式。 移相控制方式是近年来在全桥变换器中使用最多的一种软开关 控制方式，它是谐振变换技术和PWM技术的结合。其工作原理 为每个桥臂的两个开关管180度互补导通，两个桥臂的导通之 间相差一个相位，即所谓移相角。通过调节移相角的大小来调 节输出电压的脉冲宽度，从而达到调节相应的输出电压的目的 。如果Q1、Q3的驱动信号分别领先于Q4、Q2，可以定义Q1、Q3 组成的桥臂为超前桥臂，Q2、Q4组成的桥臂为滞后桥臂。
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主要参考文献
【1】姜雪松.隔离升压全桥DC-DC变换器拓扑理论和控制技术研究 [D] 中科院研究生院博 士学位论文 2005 【2】李纬华 独立光伏发电系统研制 大连海事大学硕士学位论文，2008 【3】张辉 光伏并网发电逆变技术研究 复旦大学硕士学位论文 2009 【4】王广州等.串并联谐振倍压变换器原理分析、建模及仿真[J] 电力电子技术 2006.4 【5】龙泳涛.移相控制ZVS PWM DC/DC全桥变换器软开关技术及应用 [D]湖南大学硕士学 位论文 2002 【6】王建冈.改进型倍流整流电路ZVS PWM全桥变换器的研究 [D]南京航空航天大学硕士 学位论文 2000 【7】刘福鑫.高压直流电源系统中DC/DC变换器的研究 [D] 南京航空航天大学硕士学位论 文 2004 【8】孙强等.移相全桥PWM开关电源控制器设计与仿真研究 [J] 西安理工大学学报 2006VOL1.22 257-261 【9】陈 柬，陆治国.移相全桥软开关变换器拓扑分析 [J] 重庆大学学报 2005.12 27-31 【10】张培龙.软开关PWM DC-DC变换器的研究 [D] 大连理工大学硕士学位论文 2005
输出电压波形
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课题主要难点
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课题主要难点
v 难点一：软开关的实现
• 软开关的实现需要原边漏感与开关管并联电容谐 振才能实现，对参数的要求较为精细，实现起来 较为困难
• 解决方法：现有文献都是基于工程方法进行谐振 参数设计，因此得到的参数与实际差距较大，基 于论文进行设计后，应当运用仿真软件对所得参 数进行进一步优化，这样才会得到较为满意的结 果。
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研究方案和技术路线
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研究方案和技术路线
v 主电路拓扑的选择
用于光伏系统DC/DC变换器逆变侧的半桥与全桥拓扑如下 所示【4】【5】：
半桥逆变
全桥逆变
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研究方案和技术路线
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课题的主要难点
v 难点四：闭环稳压时PI参数的整定
解决方法：本课题变换器拟采取PI调节器，根据控制理论 的知识，将被控对象进行离散化，然后，根据系统的性能 指标要求，直接在Z域中进行零、极点配置及响应分析， 一般可按先比例（P）、后积分（I）的顺序确定调节器参 数，然后用仿真软件对控制参数反复仿真优化。
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课题的主要难点
v 难点三：变换器的小信号建模
虽然一般的PWM变换器已有成熟的基于状态空间法的小信 号建模和分析方法，但是全桥ZVS变换器运行有自身特殊 性不能简单的将PWM变换器分析方法移植过来。 解决方法：DC/DC变换器是BUCK变换器的一种，因此本课 题所选拓扑的小信号建模将基于BUCK变换器的小信号模型 使用状态空间平均法进行数学推导。
（1）全桥电路与半桥电路的区别就是，用另外两个同样的 开关管代替两只电容，即由 4 只开关管组成逆变开关电 路 ，所以全桥电路控制必然复杂一点。 （2）半桥式电路变压器原边电压为±1/2Vdc，而全桥式电路 变压器原边电压为±Vdc。也就是说，如果开关电流一样， 电源输入电压也相等，半桥式的输出功率只有全桥式的一 半。因此半桥电路不能将光伏板转化出来的珍贵电能有效 利用，这是它的突出问题，所以本课题DC/DC变换器中的 逆变电路使用全桥逆变。
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课题背景
v 意义
• 可以提高太阳能的利用率，缓解能源短缺的状况 • 可以应用于可再生能源发电、分布式发电、电动 汽车储能系统、以及通讯、航天等领域。 • 可以为边远偏僻农村、海岛和牧区提供照明等基 本生活用电，也可为通信中继站、气象台站和边 防哨所等特殊处所提供电源，促进人民生活水平 的提高等。
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预期研究成果
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预期研究成果
v 研制出一台用于光伏系统的高效隔离型桥式DC/DC变换器实验样机 ，其主要指标如下： 额定功率：300W； 输入电压范围：30V-40V 输出电压范围：330V左右 工作频率：20kHz v 对控制器算法进行仿真，验证算法的正确性。 v 对所制成的样机进行软硬件联合调试要求样机能实现ZVS，输出电 压稳定，且能够实现最大功率点跟踪 v 发表论文1-2篇。
变压器原副边电压Vt1，Vt2 高效隔离型桥式DC/DC变换器研制 19/32
仿真波形
研究方案和技术路线
v 电路仿真波形
开关管的移相触发脉冲Q1，Q4，Q3，Q2 移相角为30度
超前臂上管触发脉冲与电流波形
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研究方案和技术路线
v 电路仿真波形
滞后臂上管触发脉冲与电流波形
v 主要内容：
• 分析DC/DC变换器的主电路参数设计原理，进行 参数设计并进行仿真优化 对隔离升压式移相全桥主电路进行小信号建模 设计DC/DC变换器的控制方案、MPPT算法、输入 侧电压采样电路和输出电压采样电路。 编写以英飞凌XE164F单片机为核心的软件控制程 序，完成采样、运算、控制算法等，实现DC/DC 变换器的控制和光伏电池的最大功率点跟踪（ MPPT），并进行软、硬件联合调试。
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研究方案和技术路线
主电路及各开关管各开关管的驱动信号如下：
初选主电路示意图
移相触发脉冲示意图
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研究方案和技术路线
根据电路的电压等级，开关管选择 MOSFET，MOSFET的特性是开通比较 缓慢关断较快，所以软开关策略选 择ZVS 综上所述，选择ZVS移相全桥型DC/DC 电路 ZVS移相全桥DC/DC变换器的优点： 1 引入的谐振元件少，利于减少器件 损耗、变换器成本和体积 2 电路谐振，有利于实现原边开关的 ZVS和副边整流管的自然换相