雙向變換器的兩段式軟起動(dòng)方法

1、雙向變換器的兩段式軟起動(dòng)方法雙向變換器的兩段式軟起動(dòng)方法楊孟雄，阮新波，金科（南京航空航天大學(xué)航空電源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210016）TwoPhaseSoftStartMethodfBidirectionalDCDCConverterYANGMengxiongRUANXinboJINKe(NanjingUniversityofAeronautics&AstronauticsNanjing210016China摘要：摘要：雙向變換器在兩

2、端“源”的運(yùn)用場(chǎng)合下，采用傳統(tǒng)的軟起動(dòng)方法，由于開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，會(huì)從輸出端“源”引入反向電感電流，導(dǎo)致?lián)p壞變換器。本文提出了一種新穎的雙向變換器兩段式軟起動(dòng)方法，通過對(duì)主控管和被控管均實(shí)施軟起動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)雙向變換器在兩端“源”下的開機(jī)軟起動(dòng)，避免產(chǎn)生反向電感電流。兩段式軟起動(dòng)方法適用于一族的雙向變換器，并且可以推廣到多電平雙向變換器中。本文最后給出了雙向變換器兩段式軟起動(dòng)及在燃料電池供電系統(tǒng)中開機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了雙向變換器兩段式軟起動(dòng)

3、方法的有效性。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：雙向變換器，燃料電池，蓄電池，軟起動(dòng)，兩端源運(yùn)用場(chǎng)合。Abstract:Duetocomplementedoperationofswitchesinbidirectionalconvertertraditionalsoftstartmethodwillgiverisetolargeinverseinductcurrentfromtheoutputsourceatdoublesourcesapplicatio

4、nresultindamageofconverter.Thispaperproposesanovelsoftstartmethod—twophasesoftstartmethod.Byimplementingsoftstartofbothactiveswitchpassiveswitchtwophasesoftstartmethodcanrealizebidirectionalconvertersoftstartatdoublesour

5、cesapplicationavoidinginverseinductcurrent.Twophasesoftstartmethodappliestoaseriesofbidirectionalconvertercanbeextendedtomultilevelbidirectionalconverter.Experimentalresultsoftwophasesoftstartstartupinfuelcellpowersystem

6、arefinallygiventoverifytheeffectivenessoftwophasesoftstartmethod.Keywds:bidirectionalconverter，fuelcell，battery，softstart，doublessourcesapplication。1.引言引言?雙向變換器在電池充電器，不間斷供電系統(tǒng)(UPS)以及電動(dòng)汽車等領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。近年來，隨著光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池等新能源分

7、布式發(fā)電系統(tǒng)的大力發(fā)展，雙向變換器的應(yīng)用將變得更加廣泛[1~5]。圖1給出了一種燃料電池供電系統(tǒng)，它由燃料電池、單向DCDC變換器、雙向DCDC變換器、逆變器和蓄電池構(gòu)成[6]。單向DCDC變換器將燃料電池寬范圍的電壓(200400V)變換為360V的直流電壓，然后通過后級(jí)逆變器得到220V50Hz交流電給負(fù)載供電。雙向變換器連接了直流母線和蓄電池，承擔(dān)著控制能量雙向流動(dòng)的作用。燃料電池供電系統(tǒng)中的雙向變換器選用了BuckBoost雙向

8、變換器，如圖2所示，其具有結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)[7][8]。為了減小DCDC變換器開機(jī)時(shí)的浪涌電流，一般需要采用軟起動(dòng)方法。對(duì)于雙向變換器，如果將其看作“一機(jī)兩用，分時(shí)復(fù)用”，即將其看作分別是不同時(shí)間兩個(gè)方向的單?本文工作得到教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃資助。ThiswkwassupptedbytheProgramfNewCenturyExcellentTalentsinUniversityChina.變換器將工作于電感電流

9、斷續(xù)模式(DiscontinuousCurrentModeDCM)。加入被控管驅(qū)動(dòng)信號(hào)后兩管互補(bǔ)工作，變換器將由DCM轉(zhuǎn)為CCM工作。由于主控管的占空比在DCM時(shí)比CCM時(shí)的小，因此主控管占空比將會(huì)增加。在此過程中，每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感上的負(fù)向伏秒面積大于正向伏秒面積，電感電流將會(huì)反向增加。圖４給出了Boost模式下，雙向變換器由DCM到CCM轉(zhuǎn)換過程中的主要仿真波形。從中可以看出，在t1時(shí)刻之前被控管Q2未給驅(qū)動(dòng)信號(hào)，變換器工作在DCM

10、模式。當(dāng)給被控管施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并與主控管Q1互補(bǔ)工作，電感電流將會(huì)反向增加，其最大值達(dá)到14.2A。而在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，電流平均值只有0.44A。如此大的反向電流將會(huì)導(dǎo)致電感飽和，同時(shí)使開關(guān)管過流損壞。因此被控管延時(shí)驅(qū)動(dòng)方法在負(fù)載較輕時(shí)不可行。4.兩段式軟起動(dòng)方法的原理與電路實(shí)現(xiàn)兩段式軟起動(dòng)方法的原理與電路實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的軟起動(dòng)方法使主控管的驅(qū)動(dòng)脈寬由零逐漸增大，實(shí)際上僅實(shí)施了主控管“軟起動(dòng)”。如果類似地對(duì)被控管實(shí)施“軟起動(dòng)”，使被控管的驅(qū)動(dòng)脈寬

11、也由零逐漸增大，那么在負(fù)載較輕時(shí)，雙向變換器將由DCM平滑轉(zhuǎn)換到CCM，避免電感電流反向大幅增加，這是“兩段式軟起動(dòng)方法”。被控管的“軟起動(dòng)”可以延時(shí)施加或者無延時(shí)施加，相應(yīng)的兩段式軟起動(dòng)方法有兩種實(shí)現(xiàn)方法。4.1方法方法1在主控管軟起動(dòng)完成后，延時(shí)一段時(shí)間實(shí)施被控管軟起動(dòng)。其控制框圖和主要波形如圖5所示，其中A是外同步時(shí)鐘信號(hào)，以同步鋸齒波和RS觸發(fā)器。t0時(shí)刻開機(jī)，電流源IS1給外部軟起動(dòng)電容CS1充電。軟起動(dòng)電容電壓VS1、輸出電

12、壓閉環(huán)的輸出信號(hào)VEA_Vo及鋸齒波VRAMP1送入PWM比較器后，得到主控管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Q1。脈沖信號(hào)B2與Q1互補(bǔ)。Q1的占空比從零逐漸增大，實(shí)施主控管軟起動(dòng)，輸出電壓、電流緩慢增加，電感電流從被控管的體二極管或反并二極管續(xù)流，不存在反向電流。t1時(shí)刻，Q1增大至額定占空比，輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定值，因而此后電壓閉環(huán)將給定Q1為額定占空比。開機(jī)后延遲td時(shí)間，在t0＋td時(shí)刻電流源IS2給外部軟起動(dòng)電容CS2充電，軟起動(dòng)電容電壓VS2從零線

13、性上升。它與鋸齒波VRAMP2交截后，得到輔助脈沖信號(hào)DSS，其占空比從零逐漸增大至“1”。被控管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Q2由B2與DSS邏輯與得到，此時(shí)DSS的占空比尚小，被控管沒有驅(qū)動(dòng)信號(hào)。DSS的占空比持續(xù)增大，在t2時(shí)刻，開始出現(xiàn)被控管驅(qū)動(dòng)信號(hào)Q2。隨著DSS的占空比繼續(xù)增大，Q2的占空比從零逐漸增大，實(shí)施被控管軟起動(dòng)。此時(shí)如果負(fù)載較輕，變換器可iLfQ1Q2t1圖4.被控管延時(shí)驅(qū)動(dòng)仿真Fig.4Passivedrivedelaymetho