隔离型双向全桥DC-DC变换器研究

随着不可再生能源的消耗,以及这类传统能源如石油等对环境造成的危害,可再生新能源的开发与利用在近几年步入了快速发展期,而基于可再生能源与储能元件构成的直流微电网系统也得到了广泛的应用。这其中,电动汽车(Electric Vehicle, EV)因其高效的能源利用率等优势成为我国能源发展战略的重要内容。电动汽车与电网的互动,既有大规模接入并网带来的挑战,又有作为分布式储能元件为电网削峰填谷等起到正面的作用。因此,研究作为电网与电动汽车之间的电力电子接口装置——隔离型双向全桥DC-DC变换器(Isolated Bidirectional full-bridge DC-DC converter, IBDC),对实现电网与电动汽车之间的良好互动具有重要意义。针对隔离型双向全桥DC-DC变换器的特点,本文对单移相控制(Single-phase-shift control, SPS)、双重移相控制(Dual-phase-shift control, DPS)和三重移相控制(Triple-phase-shift control, TPS)理论进行研究,并提出统一的数学模型。通过对三种控制方式控制原理的分析,把每种控制方式下变换器的工作模式分阶段进行介绍。然后根据工作原理和模式,进行公式推导,建立了稳态数学模型。之后对三种控制方式下变换器主要的功率特性进行分析,分别给出了传输功率调节范围,明确三重移相控制的传输功率调节范围是三种控制方式中最大的,具有较好的灵活性。而考虑到单移相控制方式下变换器固有的功率回流现象,会增加开关器件、磁性元件的损耗,从而降低系统整体的效率,本文在每种控制方式的分析中给出了回流功率的表达式,得到了电压传输比与移相比之间的关系,并明确双重移相和三重移相控制能够有效地消除回流功率。同时,对比了三重移相和双重移相控制,前者在减小电流峰值、电流有效值、无功功率的效果上要优于后者。本文通过Matlab/Simulink平台搭建了模型,对三种控制方式都进行了仿真验证。最后,本文还搭建了一台试验性的原理样机。给出了实验装置的参数,并根据参数进行开关器件选型、高频变压器设计。详细介绍了原边侧全桥主电路板、副边侧全桥和驱动电路板的设计,并基于TMS320F28335平台进行带死区的移相程序编程,对控制程序进行介绍。完成三种控制方式下样机的初步试验,并得到每种控制方式的效率,验证了理论分析的准确性。