双向直流直流变换器(原创)

6种单管直流变换器在它们的开关管上反并二极管，在二极管上反并开关 管即可构成4种不隔离的双向直流变换 器，即buck-boost,buck/boost， cuke和Sepic-zeta双向直流变换器。
Buck-boost双向直流变换器
双向buck/boost直流变换器



BDC 是典型的“一机两用”设备，有重要的研究价值， 目前 BDC 的研究主要集中在电路拓扑和控制两个方 面。目前研究的几种 BDC 拓扑存在下面的几个缺陷： 隔离型 Buck/Boost BDC 因含有的隔离型 Boost 变 换器，存在开关管电压尖峰大的问题，难以抑制； Cuk 型 BDC 和 Sepic/Zeta型 BDC 由于其电路拓扑 比较复杂，且能量传输过程环节较多，实际应用较少。
如图双向直流变换器仿真图,电感L取值200uH、电容C1，C2都取 1500uF 开关频率20kHZ、负载R为1欧姆。 升压状态模式仿真: 输入电压U1为44V，VTl直通,保持占空比为1,VT4 占空比16%得到输出电压波 形如图所示。

降压状态模式仿真: 输入电压U1为58V，VTl占空比为76%，VT4保持截止状态,即占空比为0,得到输 出电压波形如所示。
双向DC的能量流动
双向直流变换器及其分类
双向直流变换器的分类
不隔离的双向 直流变换器 隔离的双向直 流变换器 移向控制双向 直流变换器
双向直流变换 器
组合式双向直 流变换器
双向直流变换器及其分类
变换
单 向
？
双 向
双向直流变换器的拓扑结构多是在已有的单 向直流变换器的基础上,通过为电路中的开关 元件和二极管分别并联反向二极管和开关元 件从而实现能量的双向流动。
双向直流-直流变换器
报告人：刘士华
目 录
1双向直流变换器及其分类 2正极性输出的双向buck/boost直 流变换器 3Simulink仿真 4接下的任务
双向直流变换器及其分类
双向直流变换器


直流变换器只能将能量从一个方向传到另一个方向，双向直流 变换器则可实现能量的双向传输。双向DC/DC电路搭配不同的 能量储存单元,不但能够提高能量储存系统的灵活性和效率,同 时也改善了系统的动态性能。 双向DC/DC变换器正逐步被使用在各种能量系统中,包括混合动 力车、燃料电池系统、可再生能源系统等。例如具有双向功能 的充电器在供电网正常时用于向蓄电池充电，一旦供电网供电 中断，该电器可将电池电能返回电网，向电网短时应急供电。 控制直流电动机的变换器也应是双向的，电动机工作时，将电 能从电源送到电动机，电动机旋转，带动设备工作，制动时电 机能量通过变换器返回电源。

这种双向直流变换器拟在电动汽车中使用。该电路的 缺点是所用器件较多，且升压工作时必须同时有两只 开关管导通，通态损耗较大，适合于电源电压较高的 场合使用。
接下的任务

深入了解其他复杂的双向直流变换器 深入了解电路参数的设计和仿真 学习双向直流变换器的控制方案
正极性输出的双向buck/boost直流变换器
工作状态②: 开关管VT4工作,VT1恒通,其他开关管全部关断。电感电流连续时电路有两 种开关状态。 开关状态1 [Ton期间]:如图(a)所示,此时开关管VT4导通,二极管D3截止,U1 给电感L充电,电感两端电压为U1电感电流线iL线性上升 开关状态2 [Toff期间]:如图 (b)所示,此时开关管VT1截止,二极管D3正向 导通,电感电流不能突变,而是跟U1一起经过D3给负载供电,同时给电容C2充 电。电感两端电压为U1-U2,由U1<U2,则电感电流iL线性降低。
正极性输出的双向buck/boost直流变换器

1994年澳大利亚Felix A.Himmelstoss在PESC’94上 发表文章，总结了不隔离双向直流变换器的 拓扑结 构。 由于buck-boost双向直流变换器输出输入电压 极性反向，不适合于电动车使用，F.Caricchi提出了 一种主电路如图所示的buck-boost级联型双向直流变 换器，该变换器输出输入的负端共用。
U1 → U2放电模式,当U1 ＞U2时,开关管VT1工作,其他开关管全部关断,通过调 节VT1的占空比D来调节输出;


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② U1 → U2放电模式,当U1<U2 时,开关管VT4工作,VT1恒通,其他开关管全部关 断,通过调节VT4的占空比D來调节输出;
③ U2 →U1充电模式,当U2 >U1时,开关管VT3工作,其他开关管全部关断,通过调 节VT3的占空比D来调节输出;
双向直流变换器及其分类
大部分的双向DC电路都可以用图所示的框图描述，根据能量存储单元 位置的不同,变换器可以工作于buck模式或者boost模式。 当能量存储单元位于低压侧,变换器起到将其输出电压升高的作用,即 工作于boost模式; 当能量储存单元位于高压侧,变换器将其输出电压降低,工作于buck模 式。根据输出特性的要求,双向DC/DC变换器可以工作于电压反馈或者 电流反馈模式

④; U2 →U1充电模式,当U2<U1时,开关管VT2工作,VT3恒通,其他开关管全部关 断,通过调节VT2的占空比D来调节输出。
正极性输出的双向buck/boost直流变换器 双向正极性Buck-Boost变换器电感L两端皆为半桥结构，整个拓扑是对称结构, 两种能量传递方向下,变换器的调节方式其实是一样。即工作状态①、③工作 原理一致,达到降压作状态②、④工作原理一致,达到升压效果。这里只分析 能量从U1传递到U2时的①和②两种状态，也只对这两种状态进行仿真。 工作状态①: 开关管VT1工作,其他开关管全部关断。电感电流连续时电路有两种开关状态。 开关状态1 [Ton期间]:如图(a)所示,此时开关管VT1导通,其他开关管全部截止。 二极管D3向导通,其他二极管全部截止。 开关状态2 [Toff期间]:如图 (b)所示,此时开关管VT1截止,二极管D2正向导通, 电感电流iL一不能突变,而是通过二极管D2 D3给负载供电。这时候,电感两端电 压为-U2,电感电流iL线性减小。
Simulink仿真
主要电路参数计算

由于两种能量传递方向下,变换器的调节方式是一样。即工作状态①、③工作 原理一致,达到降压效果;工作状态②、④工作原理一致,达到升压效果所以这 単。只作能量由U1传递到U2时的①和②两种工作状态下的参数计算。
Simulink仿真

为了验证确定的双向直流变换器主电路参数,本文采用 MATLABSIMUUNK仿真软件,分别对升压和降压两种情况进行 仿真验证。由于充放电工作状态一样,这里只仿真放电模 式的工作情况。
双向直流变换器及其分类
在电动车的应用中,双向DC/DC变换 器搭高能量密度的能量储存单元(如 超级电容),可以吸收电机制动的能 量。同时,当电动启动、加速、爬坡 时,需要较大的电流,双向DCOC变换 器又可以从能量储存单元中取出能 量,将其变换至额定的母线电压,供 电动车使用。一个典型的具有超级 电容的电动车能量系统结构如图
级联型buck-boost双向直流变换器
正极性输出的双向buck/boost直流变换器
双向直流变换器工作原理

双向直流变换电路由4个带续流二极管的开关管VT1~VT4，2个电容C1，C2和一个 电感L组成。该电路有两种能量传递方向:U1 → U2，U2 →U1。这里定义U1 → U2为放电模式,U2 →U1为充电模式。四种工作状态:
双向直流变换器及其分类
变换
6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、 升降压斩 波电路、Cuk斩波电路、 Zeta斩波电路和Sepic斩波电路。
双向直流变换器及其分类 双向buckboost直流 变换器
电流双向直流变换器，或称为电流两象限直流变换器，即在以电压 为纵坐标和电流为横坐标的平面中，工作于第一和第二象限。 另一种为电压双向直流变换器，其输出电压的极性可正可负，但电 流方向不变，即该类变换器仅工作在电压和电流坐标系的第一和第 四象限。 电压电流方向均可改变的直流变换器常称四象限直流变换器，它可 在电压和电流坐标平面的四个象限内工作。