雙向變換器的軟起動策略

1、雙向變換器的軟起動策略楊孟雄，阮新波，金科(南京航空航天大學(xué)航空電源重點(diǎn)實驗室，江蘇南京210016)Two-PhaseSoftStartMethodforBi-directionalDC-DCConverterYANGMengxiong,RUANXinbo.JINKe(NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing210016,China摘要：雙向變換器在兩端“源''的運(yùn)用場合下，采納傳統(tǒng)的軟起動方法，由于開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，會從輸出端“源”引入反向電感電流，導(dǎo)致?lián)p壞變換器。本文提出一種新穎的雙向變換器兩段式軟起動方

2、法，通過對主控管和被控管均實施軟起動，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向變換器在兩端“源”下的開機(jī)軟起動,幸免產(chǎn)生反向電感電流。兩段式軟起動方法適用于一族的雙向變換器，同時能夠推廣到多電平雙向變換器中。本文最后給出r雙向變換器兩段式軟起動及在燃料電池供電系統(tǒng)中開機(jī)的實驗結(jié)果，驗證r雙向變換器兩段式軟起動方法的有效性。關(guān)鍵詞：雙向變換器，燃料電池，蓄電池，軟起動，兩端源運(yùn)用場合。Abstract:Duetocomplementedoperationofswitchesinbi-directionalconverter,traditionalsoftstartmethodwillgiverisetolargeinver

3、seinductorcurrentfromtheoutputsourceatdoublesourcesapplication,andresultindamageofconverter.Thispaperproposesanovelsoftstartmethod-two-phasesoftstartmethod.Byimplemenlingsoftstartofbothactiveswitchandpassiveswitch,two-phasesoftstartmethodcanrealizebi-directionalconvertersoftstartatdoublesourcesappli

4、cation,avoidinginverseinductorcurrent.Two-phasesoftstartmethodappliestoaseriesofbi-directionalconverterandcanbeextendedtomulti-levelbi-directionalconverter.Experimentalresultsoftwo-phasesoftstartandstartupinfuelcellpowersystemarefinallygiventoverifytheeffectivenessoftwo-phasesoftstartmethod.Keywords

5、:bi-directionalconverter,fuelcell,battery,softstart»doublessourcesapplication01.引言雙向變換器在電池充電器，不間斷供電系統(tǒng)(UPS似及電動汽車等領(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布式發(fā)電系統(tǒng)的大力進(jìn)展，雙向變換器的應(yīng)用將變得更加廣泛”。圖1給出了一種燃料電池供電系統(tǒng)，它由燃料電池、單向DC-DC變換器、雙向DC-DC變換器、逆變器和蓄電池構(gòu)成叫單向DC-DC變換器將燃料電池寬范疇的電壓(200-400V)變換為360V的直流電壓，然后通過后級逆變器得到220V/50HZ交

6、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)著操縱能量雙向流淌的作用。燃料電池供電系統(tǒng)中的雙向變換器選用了Buck-Boost雙向變換器，如圖2所示，其具有結(jié)構(gòu)簡單，易于操縱，動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。為了減小DC-DC變換器開機(jī)時的浪涌電流，一樣需要采納軟起動方法。關(guān)于雙向變*本文工作得到教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才打算資助。ThisworkwassupportedbytheProgramforNewCenturyExccllcnlTalentsinUnivcniity.China.Kig.2Buck-B(x>slBi-dirccticmalConverterFig.3Inverseindu

7、ctorcurrcnlintraditionalsoftslart換器，假如將其看作“一機(jī)兩用，分時復(fù)用“，立即其看作分別是不同時刻兩個方向的單向變換器，傳統(tǒng)軟起動方法能夠直截了當(dāng)引入到雙向變換器中。在圖1的燃料電池供電系統(tǒng)中，雙向變換器的兩端分別是直流母線和蓄電池，傳統(tǒng)軟起動方法不再適用于此種兩端“源”的運(yùn)用場合.本文第一分析雙向變換器采納傳統(tǒng)軟起動方法存在的問題，然后提出一種新穎的雙向變換器兩段式軟起動方法。2 .傳統(tǒng)軟起動存在的問題在圖2中，Buck-Boost雙向變換器的高、低壓端電壓分別是力和匕，開關(guān)管Q,Qi互補(bǔ)工作。在Boost模式下，變換器通過調(diào)劑。1來調(diào)劑輸出，因此定義。為主

8、控管，0為被控管；同理，在Buck模式下定義0為主控管，Qi為被控管。傳統(tǒng)的軟起動方法是變換器開關(guān)管的占空比由零逐步增大，使輸出電壓、電流逐步升高至穩(wěn)固值。這關(guān)于單端“源''單端"耗散性負(fù)載”的運(yùn)用場合是可行的。在兩端“源”的運(yùn)用場合下，假如雙向變換器工作在Boost模式，匕通過雙向變換器向V供電。開機(jī)時主控管。的占空比從零逐步增大，被控管Q的占空比從“逐步減小，如圖3所示，電壓/以專門小占空比正向加于電感，而V-匕以專門大的占空比反向加于電感電流迅速反向增加，會導(dǎo)致電感飽和，器件過流而損壞。同樣地，在Buck模式下也會產(chǎn)生專門大的反向電感電流，導(dǎo)致變換器損壞.關(guān)于其

9、他雙向變換器，如雙向Buck/Boost變換器、雙向Cuk變換器、雙向Zeta-Sepic變換器、雙向Forward變換器、雙向Flyback變換器等，由于對偶的開關(guān)管的(有效)占空比是互補(bǔ)的，采納傳統(tǒng)軟起動都會從輸出端“源'引入反向電流，導(dǎo)致變換器損壞，因此雙向變換器在兩端“源''的運(yùn)用場合必須采納新的軟起動方法。3 .被控管延時驅(qū)動方法雙向變換器軟起動時被控管的開通導(dǎo)致了反向電感電流，因此為了防止顯現(xiàn)反向電流，能夠在開機(jī)后延時一段時刻再驅(qū)動被控管，即軟起動時切掉被控管的驅(qū)動信號，利用其體二極管或反并二極管續(xù)流，軟起動完成后再施加驅(qū)動信號。這種方法關(guān)于電感電流連續(xù)模式

10、(ContinuousCurrentMode,CCM)是可行的。假如負(fù)載較輕，當(dāng)被控管關(guān)斷時，變換圖4.被控管延時驅(qū)動仿真Fig.4Passivedrivedelaymclhodsimulatingwaveftwm器將工作于電感電流斷續(xù)模式(DiscontinuousCurrentMode,DCM)。加入被控管驅(qū)動信號后兩管互補(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時比CCM時的小，因此主控管占空比將會增加。在此過程中，每個開關(guān)周期內(nèi)電感上的負(fù)向伏秒面積大于正向伏秒而積，電感電流將會反向增加。圖4給出了Boost模式下，雙向變換器由DCM到CCM轉(zhuǎn)換過程中的要緊仿真波

11、形°從中能夠看出，在外時刻之前被控管Q未給驅(qū)動信號，變換器工作在DCM模式，當(dāng)給被控管施加驅(qū)動信號，并與主控管Qi互補(bǔ)工作,電感電流將會反向增加，其最大值達(dá)到-14.2A。而在穩(wěn)態(tài)工作時，電流平均值只有0.44A。如此大的反向電流將會導(dǎo)致電感飽和，同時使開關(guān)管過流損壞°因此被控管延時驅(qū)動方法在負(fù)載較輕時不可行，4.兩段式軟起動方法的原理與電路實現(xiàn)傳統(tǒng)的軟起動方法使主控管的驅(qū)動脈寬由零逐步增大，實際上僅實施了主控管“軟起動”。假如類似地對被控管實施“軟起動”，使被控管的驅(qū)動脈寬也由零逐步增大，那么在負(fù)載較輕時，雙向變換器將由DCM平滑轉(zhuǎn)換到CCM幸免電感電流反向大幅增加，這是

12、“兩段式軟起動方法工被控管的“軟起動”能夠延時施加或者無延時施加，相應(yīng)的兩段式軟起動方法有兩種實現(xiàn)方法。4.1 方法1在主控管軟起動完成后，延時一段時刻實施被控管軟起動。其操縱框圖和要緊波形如圖5所示，其中A是外同步時鐘信號，以同步鋸齒波和RS觸發(fā)器。力時刻開機(jī)，電流源布給外部軟起動電容充電。軟起動電容電壓輸出電壓閉環(huán)的輸出信號以_%及鋸齒波13“川送入比較器后，得到主控管的驅(qū)動信號。脈沖信號&與彷互補(bǔ)。|的占空比從零逐步增大，實施主控管軟起動，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。八時刻，Qi增大至額定占空比，輸出電壓達(dá)到穩(wěn)固值，因而此后

13、電壓閉環(huán)將給定。為額定占空比0開機(jī)后延遲。時刻，在向+。時刻電流源小給外部軟起動電容的2充電，軟起動電容電壓2從零線性上升。它與鋸齒波V.“燈交截后，得到輔助脈沖信號。ss,其占空比從零逐步增大至“廣。被控管的驅(qū)動信號0由&與邏輯與得到，現(xiàn)在。腎的占空比尚小，被控管沒有驅(qū)動信號。腎的占空比連續(xù)增大，在，2時刻，開始顯現(xiàn)被控管驅(qū)動信號。2。隨著的占空比連續(xù)增大，的占空比從零逐步增大，實施被控管軟起動，現(xiàn)在假如負(fù)載較輕，變換器可最5 /l/lMl助軟起動電路圖5.兩段式軟起動方法1Hg.5 Tw(>-phasc soft slart method 1圖6.兩段式軟起動方法2Fig.6

14、 Two-phase soft start nwthod 2以從DCM平滑轉(zhuǎn)換到CCMcf3時刻以后，隨著。ss增大至"1”占空比，Q達(dá)到額定占空比，與?；パa(bǔ)，兩段式軟起動完成。4.2 方法2在主控管軟起動完成時，即實施被控管軟起動。其操縱框圖和要緊波形如圖6所示。m時刻開機(jī)，輸出電壓閉環(huán)的輸出性為高電平，其與鋸齒波V/小加交截，得到的脈沖信號以為“1”占空比，互補(bǔ)的脈沖信號為零占空比。電流源A給外部軟起動電容Css充電，軟起動電容電壓Vss從零線性上升。它與鋸齒波以WP2交截后得到輔助脈沖信號Dss，其占空比從零逐步增大至口工主控管的驅(qū)動信號Q由&和Dss邏輯與得到，被控管

15、的驅(qū)動信號。2由&和0ss邏輯與得到?，F(xiàn)在勒的占空比從零開始逐步增大，實施主控管軟起動，而被控管沒有驅(qū)動信號。八時刻，隨著。期的占空比增大，Qi增大至額定占空比，輸出電壓達(dá)到穩(wěn)固值，因而此后電壓閉環(huán)將給定以為額定占空比。而。器的占空比將仍在增大，故此后主控管的驅(qū)動信號。將保持為額定占空比。隨著。55的占空比連續(xù)增大，12時刻開始顯現(xiàn)被控管的驅(qū)動信號。2,同時其占空比從零逐步增大，實施被控管軟起動。一時刻以后,隨著如增大至“1”占空比，Q達(dá)到額定占空比,與0互補(bǔ),兩段式軟起動完成。兩段式軟起動方法1采納兩個外部軟起動電容分別實現(xiàn)主、被控管的軟起動，因此可圖7.被控管延時駛動方法Hg.7

16、Passive drive delay mcthcxl experimental waveforms(a)主控管軟起動(b)被控管軟起動IplililBllM341川MMpMimtWIRMl©mwii11m而II,vMl20V/div他附隔WWWBW梅WWMW1BW，WWWWWWVWVWWWiu4A/divrv(4A4/n|T/mf：100f4i4/h|空W"：50cM/M(c)DCM轉(zhuǎn)換到CCM(d)穩(wěn)態(tài)工作圖8.兩段式軟起動實驗波形圖9.燃料電池供電系統(tǒng)中開機(jī)實驗波形Fig.9Two-phasesoftstartinfuelcellpowersystem以分別調(diào)劑兩管軟

17、起動的快慢，方法2采納一個外部軟起動電容實現(xiàn)兩管的軟起動，兩管軟起動的快慢是一樣的。針對Buck-Boost雙向變換器提出的兩段式軟起動方法，適用于雙向Buck/Boost變換器、雙向Cuk變換器、雙向Zeta-Scpic變換器、雙向Forward變換器、雙向Flyback變換器等一族的雙向變換器。關(guān)于多電平的雙向變換器，假如對不同的開關(guān)管作用相應(yīng)的輔助脈沖，同樣能夠?qū)啥问杰浧饎臃椒ㄍ茝V到多電平雙向變換器°5 .實驗驗證為了驗證雙向變換器兩段式軟起動方法的正確性，在實驗室完成了一臺原理樣機(jī)，其中要緊參數(shù)為：高壓端電容。=1120“凡低壓端電容Q=330“F,電感Z/=400“，開關(guān)

18、頻率fs=50KHz,開關(guān)管為/RF460a雙向變換器工作在兩端“源''的場合中，在Buck模式工作時，輸入端必/=340V,輸出端匕=240V,給蓄電池充電。在Boost模式工作時，輸入端的蓄電池放電，將輸出端匕/由初始電壓320V抬升至340k蓄電池選用220V/7AH密封鉛酸蓄電池，采納恒壓恒流充電方式。以下將給出方法2兩段式軟起動的實驗結(jié)果。圖7給出了在燃料電池供電系統(tǒng)中，雙向變換器Boost模式輕載時，被控管延時驅(qū)動方法的實驗波形。八時刻之前變換器工作在DCM,八時刻給被控管加入驅(qū)動信號，變換器從DCM迅速轉(zhuǎn)換到CCM,電感顯現(xiàn)專門大的反向電流，并導(dǎo)致一定的飽和，電流

19、的變化率增大。反向電流的最大值達(dá)至U-76A,而穩(wěn)態(tài)電流平均值僅為0.44A,可見此反向電流極易損壞變換器.同時輸出端電壓匕/下跌了2.4V。圖8依次給出了在燃料電池供電系統(tǒng)中雙向變換器Boost模式輕載時，兩段式軟起動的主控管軟起動、被控管軟起動、電感電流DCM轉(zhuǎn)換到CCM和穩(wěn)態(tài)工作的實驗波形。圖8(a)主控管軟起動時，被控管沒有驅(qū)動信號，主控管驅(qū)動信號的占空比從零開始增大，電感電流處于斷續(xù)狀態(tài)，輸出端電壓V為初始電壓320Vc由于變換器開關(guān)管的結(jié)電容與電感存在諧振，電感電流存在一定的振蕩。圖8(b)被控管軟起動時，輸出端電壓V上升到穩(wěn)固電壓340V,電感電流DCM工作。加入被控管的驅(qū)動信號

20、0時，其占空比也是從零逐步增大。圖8(c)變換器從DCM轉(zhuǎn)換到CCM工作時，隨著被控管驅(qū)動信號£的占空比連續(xù)增大，電感電流從斷續(xù)模式平滑過渡到連續(xù)模式，沒有顯現(xiàn)反向突變的情形，同時輸出電壓沒有下跌。圖8(d)穩(wěn)態(tài)工作中，°、0驅(qū)動互補(bǔ)，電感電流處于過零連續(xù)模式，其平均值為0.44A,輸出電壓匕為340Vc圖9給出了雙向變換器在燃料電池供電系統(tǒng)中兩段式軟起動的實驗波形，其中高壓端為直流母線，低壓端為蓄電池。圖9(a)是Buck模式開機(jī)的輸出電壓和電感電流波形。蓄電池的初始電壓是200V,開機(jī)后變換器1.5A恒流均充蓄電池,蓄電池端電壓匕緩慢上升,需經(jīng)一段時刻后進(jìn)入浮充。圖9(

21、b)是Boost模式開機(jī)的輸出電壓和電感電流波形。剛開始直流母線為320V,蓄電池通過雙向變換器向直流母線供電，使其電壓升高，給后級逆變器和負(fù)載供電。開機(jī)后蓄電池第一進(jìn)入2A恒流放電,直流母線電壓匕從320V上升至340V后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作，穩(wěn)態(tài)放電電流為L5A。由圖9可見，在燃料電池供電系統(tǒng)中雙向變換器兩段式軟起動，不存在反向電感電流，專門好地實現(xiàn)了兩端“源''運(yùn)用場合下的開機(jī)軟起動。6 .結(jié)論本文第一討論了雙向變換器的傳統(tǒng)軟起動的問題，分析了被控管延時驅(qū)動方法的不足，提出了一種新穎的雙向變換器兩段式軟起動方法.兩段式軟起動方法有兩種實現(xiàn)方法,能夠?qū)崿F(xiàn)雙向變換器在兩端“源”運(yùn)用場

22、合下的開機(jī)軟起動，幸免了反向電感電流°本文給出了實驗結(jié)果，驗證了雙向變換器兩段式軟起動方法的有效性°參考文獻(xiàn)1|嚴(yán)仰光.雙向直流變換器IM.南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社.2004.YanYangguang.Bi-dircclional1X,-DCConverters!M|.Nanjing:JiangsuScience&TechniquePublisher.2004.|2|PengEZ.LiH.SuGJ.andLawlerJ.S.Anewzvsbidireclionalde-deconverterforfuelcellandbatteryapplicalion|J|.IE

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