双有源全桥双向DC-DC变换器典型拓扑研究

摘要

本文介绍了双有源全桥双向DC-DC变换器(Dual Active Bridge，DAB)的应用背景和研究现状，表明其作为核心电路广泛应用于分布式电源并网和电力电子变压器中的发展趋势。重点研究了电压源型、电流源型、谐振型三种典型DAB拓扑及相应的移相控制策略，深入分析了变换器的功率传输特性，软开关特性和功率回流特性，并完成了三种典型拓扑的对比分析。
　　建立了电压源型双有源全桥双向DC-DC变换器的高频等效模型。为了解决单移相控制下在端电压不匹配时存在的软开关区域窄，无功功率大等问题，采用基于初、次级伏秒面积平衡的新型拓展移相控制，该控制方式能够增强功率调节的灵活性，便于闭环控制实现，同时拓展了软开关范围，减小了系统的电流应力和回流功率。
　　电流源型双有源全桥双向DC-DC变换器适合于对电流纹波要求较高的场合。通过对次级全桥的PWM占空比控制，相当于在电路中加入一个电子变压器，在变换器端电压波动时能够保持初、次级交流电压幅值匹配，降低漏感电流峰值。在此基础上提出一种双PWM加移相控制，通过对占空比和移相比的解耦控制，实现了宽电压范围内的软开关，减小了系统的环流损耗。
　　通过对LCL谐振网络的基本特性研究，将其应用到LCL谐振型双有源全桥双向DC-DC变换器中。在双移相控制下使得初、次级全桥交流电压和电流保持同相位，基本可以消除无功功率和回流功率。在时域波形分析的基础上，建立了各次谐波交流等效模型，推导了谐振腔各波形的定量表达式，计算了各次谐波传输功率相对于基波传输有功功率的比值，并通过基波近似法进一步研究了变换器的功率传输特性。
　　在变换器工作原理和参数设计方法的基础上，研制了额定功率为3.6kW的双有源全桥双向DC-DC变换器通用实验平台。特征波形、回流功率的实验结果与理论分析吻合良好。针对变换器运行在输入、输出电压不匹配工况下出现的共性问题，上述移相控制策略能够实现宽电压、宽负载范围内的软开关，减小系统的电流应力、回流功率，提高变换器的运行效率。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 双向DC-DC变换器概述

1．2．1 非隔离型双向DC-DC变换器

1．2．2 隔离型双向DC-DC变换器

1．3 双有源全桥双向DC-DC变换器拓扑概述

1．3．1 电压源型双有源全桥双向DC-DC变换器

1．3．2 电流源型双有源全桥双向DC-DC变换器

1．3．3 谐振型双有源全桥双向DC-DC变换器

1．4 双有源全桥双向DC-DC变换器控制方式概述

1．4．1 移相调压+不控整流

1．4．2 移相控制

1．5 本文主要研究工作

2 电压源型双有源全桥双向DC-DC变换器

2．1 VF-DAB拓扑结构

2．2 拓展移相控制

2．3 变换器工作原理

2．3．1 模态M1、M2分析

2．3．2 模态M3、M4分析

2．4 变换器运行特性

2．4．1 功率传输特性

2．4．2 软开关特性

2．4．3 功率回流特性

2．5 DAB变换器通用实验平台设计

2．5．1 主功率电路设计

2．5．2 控制电路设计

2．5．3 IGBT驱动电路设计

2．6 实验结果与讨论

2．6．1 实验验证

2．6．2 运行效率

2．7 本章小结

3 电流源型双有源全桥双向DC-DC变换器

3．1 CF-DAB拓扑结构

3．2 双PWM加移相控制

3．3 变换器工作原理

3．3．1 模态M1、M3分析

3．3．2 模态M5、M7分析

3．4 变换器运行特性

3．4．1 功率传输特性

3．4．2 软开关特性

3．4．3 功率回流特性

3．5 实验结果与讨论

3．5．1 实验验证

3．5．2 运行效率

3．6 本章小结

4 LCL谐振型双有源全桥双向DC-DC变换器

4．1 LCL-DAB拓扑结构

4．2 变换器工作原理

4．3 交流等效模型

4．4 基波近似法

4．5 仿真与实验

4．5．1 仿真验证

4．5．2 实验验证

4．5．3 运行效率

4．6 典型拓扑对比

4．7 本章小结

5 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 研究工作展望

参考文献

作者简介及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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