Buck-Boost型双半桥DC/DC变换器研究

施林涵 林国庆 徐质彬 林威伟

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108）



Buck-Boost型双半桥DC/DC变换器研究

施林涵 林国庆 徐质彬 林威伟

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108）

本文设计了一个应用于光伏系统中的 Buck-Boost型双半桥 DC/DC变换器，研究一种PWM控制与移相控制结合的充电与供电控制策略：通过移相控制实现光伏电池对负载的供电，通过PWM控制实现光伏电池对蓄电池的充电。最后结合仿真和实验结果，验证了该方案的可行性。

Buck-Boost；PWM；移相控制；能量管理

能源是人类社会发展和进步的基础，随着世界化石能源的日益枯竭，新能源的开发和利用成为了未来能源发展的方向[1-2]，在各类新能源的利用中，光伏发电系统的开发应用得到了广泛的研究[3-4]。文献[5]提出了一种应用于光伏系统的并联式双输入变换器，文献[6]研究了一种非隔离型的双输入拓扑，文献[7]对半桥电路在离网型光伏系统中的应用做了研究。

光伏发电系统除了太阳能电池和负载，还需搭载蓄电池作为储能模块。光伏电池和蓄电池的电压等级不高，在电压较高的应用场合中需要用隔离电路进行升压。同时光伏电池和蓄电池各自使用一套供电拓扑会增大系统的成本。针对上述问题，本文设计了一个基于Buck-Boost型双半桥DC/DC变换器的光伏系统，将蓄电池的充电电路和对负载供电电路耦合起来，采用PWM控制与移相控制相结合方式控制系统运行。

1　Buck-Boost型双半桥DC/DC变换器

本文提出的Buck-Boost型双半桥DC/DC变换器拓扑如图1所示，PV代表光伏电池、bat代表蓄电池，D0为反向阻断二极管，起保护光伏电池的作用，以避免由于蓄电池端电压高于光伏电池端电压时蓄电池反向放电给光伏电池带来的损害。

图1　主电路拓扑

将变压器T和半桥电路四个开关管S1—S4及电容C1—C4独立出来得到升压双半桥DC/DC等效电路如图2所示，变压器T实现了原副边的电气隔离，Lr为变压器漏感折算到原边的电感值与外接电感之和，是变压器两侧能量传输的重要元件。该电路通过调节对应的开关管S1/S3，S2/S4之间的相角的超前和滞后，可以实现能量的双向传输，本文只研究能量的正向传输的情况，即控制开关管S1、S2的相位角分别超前S3、S4时，能量从原边向副边传递。

图2　双半桥DC/DC变换电路

如图3所示，光伏电池对蓄电池充电电路与在原副边传输功率的双半桥 DC/DC变换电路共用原边的两个开关管，构成Buck-Boost电路，该电路由开关管S1和S2、电感Ldc和电容Cbat构成。从电路的输入输出关系可以得到

式中，D为开关管S1的占空比，开关管S2的占空比与 S1互补即为 1−D（实际使用中留有死区），控制占空比D就可以控制光伏电池对蓄电池充电。

图3 光伏电池对蓄电池充电电路

图4为电路运行时的工作波形图，可以看出电路在一个开关周期一共有4个运行阶段。

图4　电路工作波形图

通过变压器原边漏感上的电压-电流公式可得

再通过基尔霍夫定理和电感伏秒积公式求出当开关管S1和S2分别开通时漏感两侧电压大小：

联立式（2）和式（3），当系统达到稳态时，输出功率的表达式为

根据式（4）可以看出输出功率与移向角度间存在关系，当对应前后桥臂的移相角较小时，由于漏感上的电流上升的时间短，即使后期能量传递时间长，输出功率较小。当对应前后桥臂的移相角较大时，漏感上的电流上升的时间长，但后期能量传递时间短，输出功率也比较小。

2　控制策略

上一节推导出了系统输出功率的表达式，得出系统输出电压可以通过移相角度 φ1，占空比D和开关频率 fs进行控制。变频的控制方式会对滤波电感产生较大影响，不利于系统参数的设计。所以本文设计的变换器一共有两个自由量，分别为移相角度φ1和占空比D。

2.1蓄电池充电控制策略

为了延长蓄电池寿命，不能单独采用恒压充电或恒流充电。根据式（1）的关系可知，改变占空比D的大小，可改变蓄电池的充电电压，在电路中采样蓄电池的电压电流 Ubat、Ibat，编写单片机程序控制开关管占空比D对蓄电池进行三段充电，如图5所示。初期荷电状态低时恒流充电，中期恒压充电，后期浮充。

图5　蓄电池三段充电特性曲线

2.2移相控制策略

根据式（4）可知，电路能量传递的大小通过控制对应前后桥臂的移相角角度来调节。当系统的输入电压增大时，由于对蓄电池三段充电实现闭环控制，占空比D会随之改变，进而影响副边输出电压，此时通过移相角调整使输出电压稳定。当输出负载变化时，同理调整移相角角度。在夜晚或无光照情况下，蓄电池单独给负载供电，此时可控制占空比不变，仅保留移相角这个控制量。

2.3控制电路实现

图6为电路的控制结构图。由蓄电池电压电流采样、光伏电池电压电流采样、dspic单片机、原边开关管驱动电路、副边开关管隔离驱动电路和输出电压采样几部分构成。蓄电池电压电流采样实现了对蓄电池的三段充电控制，在三段充电控制完成后改变移向角，实现输出电压闭环控制，整个控制电路以dspic16gs502单片机为核心，该单片机可以通过改写相应寄存器改变 PWM对的占空比、产生桥式电路的互补信号和产生一个移相角，与模拟电路相比，控制精确，动态响应快。

图6　电路控制结构图

3　仿真分析

本文采用 Saber仿真软件搭建了仿真原理图。仿真参数设定为：fs=50kHz，Upv=20～40V，Ldc=400μH，Lr=7.5μH，C1=C2=1000μF，C3=C4= 100μF，副边负载用电阻R表示。

图7为不同输入电压时，系统输出电压波形图。当电压在25～35V间变化时，分别仿真三个不同输入情况下系统稳定后输出电压的有效值，发现其稳定在160V左右；图8是不同输入下对应的开关管占空比D和蓄电池电压波形，为实现蓄电池恒压充电，占空比D随着输入电压增大而减小。图9是不同输出负载时，系统的输出电压。

图7　不同输入电压时，系统输出电压波形图

图8　不同输入电压时，蓄电池充电电压波形图

图9　不同输出负载时，系统输出电压波形图

4　实验结果

为验证所提出的 Buck-Boost型双半桥 DC/DC变换器的可行性，搭建一台实验样机，设计要求如下：光伏电池输入电压：20～40V DC，额定输出电压：160V，实验中采用直流稳压源串接滑动变阻器来模拟光伏电池；系统工作频率：50kHz；蓄电池使用爱普逊阀控密封式铅酸蓄电池，标称电压：12V，20h容量7Ah。

图10和图11为光伏电池输入电压分别为25V 和35V时，系统原副边开关管下管S2和S4的驱动波形、蓄电池电压波形和输出电压波形。电压从25V变化到35V时，移相角度从23°下降到 19°，占空比则从 61.9%上升到 69.4%，输出电压和蓄电池充电电压通过闭环调节实现稳定。

图10　VPV=25V时，开关管驱动、输出电压、蓄电池电压波形

图11 VPV=35V时，开关管驱动、输出电压、蓄电池电压波形

图12为输入不变，负载变化时，开关管驱动和输出电压波形，当负载电阻R从600Ω变化到300Ω时，移相角由28°提高到45°，输出电压不变。图13为调整开关管占空比，控制蓄电池恒流充电的波形，蓄电池充电电流稳定在700mA。

图12　负载变化时，开关管驱动和输出电压波形

图13　蓄电池恒流充电波形

5　结论

本文设计了一个光伏系统中使用的 Buck-Boost型双半桥DC/DC变换器，并研究一种应用与该电路的PWM控制与移相控制结合的控制策略，先通过PWM控制实现光伏电池对蓄电池的智能充电，再通过移相控制实现对负载的恒压供电。文章对电路拓扑和控制策略进行了分析，并结合仿真和实验结果论证了该拓扑和控制策略的可行性、有效性。

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Research on Buck-Boost Double Half Bridge DC/DC Converter

Shi Linhan Lin Guoqing Xu Zhibin Lin Weiwei
(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108)

The paper designed the Buck-Boost double half bridge DC/DC converter in photovoltaic system and researched a kind of charging and power supply control strategy that combined with PWM control and phase shift control: through phase-shifting control realizes the supplying from photovoltaic battery to the load, through PWM control realizes intelligent charging from photovoltaic battery to the battery, finally combined with simulation and experimental results to verify the feasibility of the scheme.

buck-boost; PWM; phase shifting control; energy management

施林涵（1991-），男，福建福州人，硕士研究生，研究方向电气工程。