一种Boost型双输入推挽全桥双向DC/DC变换器

顾维忠，宋佩云，王勤，肖岚

(南京航空航天大学 江苏省新能源发电与电能变换重点实验室，江苏 南京 210016)

0 引言

随着科技和社会生产的发展，对双向直流变换器的需求逐渐增多，主要包括电池的充放电、电动汽车、不间断电源系统，太阳能发电系统、航空电源系统等应用场合。随着应用场合的逐渐增多，双向直流变换器研究的重要性日益突出。

另一方面，新能源的发展解决了能源危机和环境污染等问题，新能源联合供电也变得日益广泛，这就要求变换器也要满足多种能源联合供电［1］的要求。如图 1所示为基于多输入直流变换 器［2-5］(Multile-Input DC-DC Converter，MIC)的新能源联合发电系统。其中燃料电池和超级电容可以双向供电。

文献［6］提出了一种基于推挽电路的双向直流变换器，如图2所示，该变换器原边采用推挽电路，副边采用全桥电路，可以实现能量的双向流通。

图1 基于多输入直流变换器的新能源联合发电系统

本文在此基础上介绍了一种推挽Boost型双输入推挽全桥双向DC/DC 变 换 器［6-7］的工作原理，推导了该拓扑的输入输出关系，最后制作了一台原理样机进行试验，验证理论分析的正确性。

图2 推挽全桥双向DC/DC变换器

1 Boost型双输入推挽全桥双向DC/DC变换器工作原理

图3为Boost型双输入双向DC/DC变换器原理图，变换器前级采用双向脉冲电流源单元(Bidirectional Pulsating Current Source Cell，简称BPCSC)［8］，原副边的电气隔离是通过变换器来实现的，原边为推挽型电路，副边为全桥电路，该变换器有五种工作模式:

图3 Boost型双输入推挽全桥DC/DC变换器

工作模态Ⅰ:如图4(a)所示，1#源单独供电，开关管Q2、Q3关断，1#源经过Boost电路升压后经过变压器给负载供电，变压器原边开关管推挽工作状态，副边二极管全桥整流。

工作模态Ⅱ:如图4(b)所示，2#源单独供电，只需给开关管Q2提供 Boost闭环驱动信号，Q3不需要工作，变压器原边开关管推挽工作状态，副边二极管全桥整流。

工作模态Ⅲ:如图4(c)所示，1#源和2#源联合供电，Q1Q2工作在Boost闭环状态，Q3不工作，变压器原边开关管推挽工作状态，副边二极管全桥整流。

工作模态Ⅳ:如图4(d)所示，负载给2#源反馈电能，此时Q3工作在Buck闭环状态，Q2不工作，变压器原边Dm1、Dm2工作在全波整流状态，副边 Qm3、Qm4、Qm5、Qm6工作在全桥双极性控制状态。

工作模态Ⅴ:如图4(e)所示，1#源直接给2#源充电，此时只有 Q3工作在 Buck 闭环状态，Q1、Q2、Qm1、Qm2都不工作。

图4 主要工作模态

2 输入输出关系

为了保证推挽正常工作，必须协调BPCSC和母变换器单元开关管的工作。其控制原则为:调节BPCSC单元开关管实现输出电压的稳定和能量分配;调节母变换器单元开关管实现能量传递，并保证变压器不至饱和［9］。

现假设开关管占空比分别对应为 DQ1、DQ2、DQ3、DQm1、DQm2、DQm3、DQm4、DQm5、DQm6，其中正向时推挽开关管在防直通前提下接近50%占空比工作，反向时全桥对管也在防直通前提下以接近50%占空比工作;而Boost前级工作在电感电流连续方式下，变压器匝比为n，推导出输入输出关系为:

正向:

当1#源单独供电时，输出电压为公式(1)中Vo输出电流为公式(3)中的I0;当2#源单独供电时，输出电压为公式(2)中的Vo，输出电流为公式(4)中的Io;当1#源和2#源联合供电时，由于母线电容的存在，输出电压会取公式(1)、公式(2)中的较高的电压，而输出电流则为公式(3)中Io+公式(4)中的Io，相当于联合供电提供了不足的电能。

反向反馈电能时:

1#源给2#源充电时:

3 仿真验证

为了验证该Boost型双输入推挽全桥双向DC/DC变换器工作原理的正确性，利用 Saber软件搭建电路模型对电路进行仿真，电路结构如图9所示，仿真参数如下:

(1)1#源输入电压:Vin1=48 V

(2)2#源输入电压:Vin2=36 V

(3)母线电压:Vbus=60 V

(4)前级开关管开关频率:100 kHz

(5)推挽电路开关管频率:50 kHz

图5 1#源和2#源联合供电时的主要波形

(6)额定输出功率:Po=600 W

(7)额定输出电压:Vo=120 V

图5给出了1#源和2#源联合供电时的主要波形，图中无特别标度的箭头表示参考点0。图5(a)自上到下 VGS_Q1，VGS_Q2，VGS_Qm1，VGS_Qm2，VC1，Vcf分别为 1、2#驱动波形，推挽母变换器驱动波形，母线电压，输出端电压。由波形可以看出前级两个Boost电路输出可以在母线电容上稳定，通过推挽母变换器隔离传送到输出端。图 5(b)从上到下 VGS_Q1，iLf，VGS_Q2，iL2，iO分别为 1#驱动波形，1#后接Boost电感波形，2#驱动波形，2#后接Boost电感波形，输出电流，由图可以看出Boost都工作在电流连续状态，输出电流能够稳定。

图6给出了负载给2#源反馈能量时的主要波形。图中从上到下 VGS_Qm3，VGS_Q2m4，VGS_Qm5，VGS_Qm6，VCf2，iL2依次为全桥四个开关管的驱动波形，Q3相当于Buck单元的驱动波形，输入电压，输入电流，由图可以看出，全桥单元能够将能量隔离反馈到2#充电，电压电流稳定。

图6 全桥各管驱动、Q3驱动、2#源充电电压及电流

从仿真波形可以验证该电路正反向工作的可行性，同时电路各输出电压电流都和理论分析一致。

4 实验结果及分析

在仿真基础上，根据给定参数制作了一台原理样机，并给出与仿真相对应的实验波形(见图7)。

图7 1#源单独供电时的主要波形

从实验波形可以看出，正反向输出电压电流都稳定，电路能正常工作。由于漏感和开关管寄存电容的存在，开关管开断瞬间都有电流尖峰存在，而且前级开关管和母变换器开关管都会产生电流尖峰，所以需要一定的吸收电路加以限制。

图8 负载给2#源反馈能量时的主要波形

5 结束语

在新能源和和双向变换器广泛应用的今天，本文采用BPCSC并联组合给出了一种Boost型双向双输入推挽全桥DC/DC变换器的电路拓扑，并且详细分析了该拓扑的五种工作模态，推导了输入输出关系，最后通过仿真和实验验证了理论分析的正确性。

［1］李艳.多输入直流变换器电路拓扑及控制策略研究［D］.南京:南京航空航天大学.2009.

［2］KIM S K，JEON J H，CHO C H，et al.Dynamic modeling and control of a grid-connected hybrid generation system with versatile power transfer［J］.IEEE Transactions on Industraial Electronics，2008，55(4):1677-1688.

［3］WAI R J，LIN C Y，LIN C Y，et al.High-efficiency power conversion system for kilowatt-level stand-alone generation unit with low input voltage［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55(10):3702-3710.

［4］王勤.单原边绕组隔离型多输入变换器的研究［D］.南京:南京航空航天大学，2011.

［5］王蕾.Boost型单原边绕组双向双输入全桥 DC_DC变换器［M］.南京:南京航空航天大学，2012.

［6］刘玉龙.一种基于推挽电路的双向直流变换器的研究［M］.河北:燕山大学，2010.

［7］马兰，钱荔.电流型推挽全桥双向变换器的研究［J］.电力电子技术，2008.42(1):21-23.

［8］阮洁.多端口直流变换器的研究［M］.南京:南京航空航天大学，2011.

［9］程慕宇.Boost型单原边绕组电流源型多输入全桥变换器［J］.电源学报，2012，(1):64-70.