第十五届全国电源技术年会论文集
ＰＷＭ加相移控制双向ＤＣ—ＤＣ变换器的综合’
Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓｏｆ
ＰＷＭ
ＰｌｕｓＰｈａｓｅ—ｓｈｉｆｔＢｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ
ＤＣ—ＤＣＣｏｎｖｅｒｔｅｒｓ
范海峰赵川红徐德鸿浙江大学（杭州３１００２１）
摘要：本文探讨了删加相移控制的双向Ｄｃ．Ｄｃ变换器的综合方法。采用ＰＷＭ加相移控制的复合控制的双向ＤＣ－ＤＣ
变换器，不但能够减小开关器件的电流应力和通态损耗，而且可以拓宽ＺＶＳ的范围。本文详细介绍了这类变抉器的工作原
理和产生的方法。
叙词：删控制取席直流变换器相移控制
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ
ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅＰＷＭ
ｐｌｍ＃ｕ．ｓｅ－ｓｈｉｆｔ
ｓｔｌ鹊ｓｅｓａｎｄ
ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＩ）Ｃ－ＤＣ
ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ８
ｉｓｐｍｐｏｓｅｄ．ＴｈｅｓｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓｃｏｍｂｉｎｅＰＷＭ
ｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｐｈａｓｅ－ｓｈｉｆｔｃｏｎｔｒｏｌｔｏｒｅｄＬｌｃｅｃ址∞ｎｔａｎｄ
ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｌｏ酷０ｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓａｎｄｔｏｅｘｐａｎｄＺＶＳｒａｎｇｅ．ＯｐｅｒａｌＪＯｌｌｐｒｉｎｅｉｐｋ
１蛳ｏｒｄｓ：ＰＷＭ
１引言
ａ
ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｔｏｓｙｍｈｅ酊踞ｔｈｅｓｅ
ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ蛳。币Ｉａｉｎｅｄ
ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ
ｉｎ岫ｐ￥ｐｅｒ．
ｃｏｎｔｒｏｌｂｉｄｉｍｃｔｉｏｍｌＤＧＤＣ
ｐｈａｓｅ－ｓｌｆｉｆｔｃｏｎｔｒｏｌ
图”Ｊ，在变换器隔离变压器的两端各有一个变换单元。通过控制两个变换单元之阃的相位关系，来达到调节两个直流源之间能量传输的目的。图中【＾为变换器隔离变压器的漏感和外加串联电感的总和，它是变换器能量传输的重要元件，同时也保证了变换器的软开关的实现。
图２ａ为相移控制的概念图，图２ｂ为ＰＷＭ加相移控制的概念图。对器件占空比的ＰＷＭ调节．相当于在电路中加入一个电
双向ＤＣ—ＤＣ变换器可广泛应用于直流不停电电源系统、能量管理系统、航天电源系统以及电动汽车等场合“。４】。为了减小变换器的体积和重量并消除ＥＭＩ，一些软开关技术相继被采用““ｌ。相移控制（ＩＳ）双向ＤＧＤＣ变换器由于元需增加额外元件就能较易实现ＺＶＳ而受到人们的重视。但当输入输出电压幅值不匹配时，变换器电流应力就会增加，而且轻载时无法实现ＺＶＳ。本文作者已经提出了双向ＤＣ－ＤＣ变换器的ＰＷＭ加相移控制的复合控制策略。该策略减小了变换器的电流应力，从而减小了通态损耗，同时也拓宽了变换器的ＺＶＳ范围口】。事实上，ＰＷＭ加相移控制（ＰＰＳ）能够被推广应用于一系列的相移控制双向ＤＣ—ＤＣ变换器中。本文提出了一种产生ＰＷＭ加相移控制双向
ＤＣ－ＤＣ变换器的方法。
子变压器以调节等效输人电压ｋ的幅值和等效输出电压Ｕ的幅值，使得等效输入电压ｋ的正、负幅值和等效输出电压Ｕ的
正、负幅值分＊Ｈ相等口】。
２
ＰＷＭ加相移控制双向ＤＣ．ＤＣ变换器的基本原理
（ａ）相移控制概念图
ＰＷＭ控制
（ｂ）ＰＷＭ加相移控制概念图
图１相移控制双向ＤＧＤＣ变换器
图ｌ为常规相移控制双向ＤＣ－ＤＣ变换器的原理结构框
图２
台达电力电子科教基金助项目
１３７
ＰＷＭ加相移控制双向Ｄｃ．Ｄｃ变换器的综合
当等效输入电压ｖ。的幅值和等效输出电压ｖ。的幅值不匹配时，如ｎ＜Ｋ时，相移控制下双向Ｄｃ．Ｄｃ变换器的主要原理波形如图３ａ所示，ＰⅣＭ加相移控制下的主要原理波形如图３ｂ所示。两种控制方式下双向ＤＣ．］ＤＣ变换器有相等的输入电压
ｕ和相等的输人电压ｖ２，但是它们却具有不同的占空比Ｄ。比较两种控制方式下的双向ＤＣ－ＤＣ变换器的主要原理波形．可以看到Ｐ辅哪加相移控制减小了变换器的电流应力和变换器的通态损耗，研究表明变换器的ＺＶＳ范围也拓宽了。
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Ｉ
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山
（ａ）相移控制概念电路的原理波形
图３
（ｂ）ＰＷＭ加相移控制概念电路的原理波形
３
ＰＷＭ加相移控制双向ＤＣ．Ｄｃ变换器
族的产生
从ＦＷ＇Ｍ加相移控制双向ＤＣ－Ｃ变换器的基本原理。可以发
现能够用ＰＷＭ加相移控制的双向ＤＣ－ＤＣ变换器必须具有以下
特征：
１）组成ＦＷＭ加相移控制双向ＤＣ－Ｉ）Ｃ变换器的基本变换单元（如图１所示ｓｗｉｔｃｈｏｅⅡ）可以和直流电源等效为方波电源；
２）等效方波电源的幅值可以通过ＰＷＭ方式调节：
３）对占空比Ｄ的调节可以使得等效输入电压ｋ的正、负幅
值总是和等效输出电压ｖｄ的正、负幅值分别相等。
３．１
ＰＷＭ加相移控制双向ＤＣ．．ＤＣ变换
图４基本变换单元的产生
图５列出了一族基本变换单元。变换单元中的开关都反并联二极管（实际电路中，这些反并联的二极管可以是器件自身的寄生二极管）。在基本变换单元（８）一（ｅ）中，开关Ｓ和ｓ／工作在互补开关状态，在图５（ｍ）所示的全桥变换单元中，开关Ｓ和％的门极驱动信号相同，开关岛和ｓ．的门极驱动信号相同．而开关ｓＩ和Ｓ工作在互补开关状态。
器的基本变换单元的产生
在直流变换器稳态工作中，变换器中电感两端的电压波形在一个开关周期内都是伏秒平衡的。对于双向ＤＣ－ＤＣ基本变换器来说，当变换器中的两个开关工作在互补状态时，变换器中电感两端的电压波形是方波ｂＩ，而且这些方波的幅值可以通过ＰＷＭ方式调节。因此可以从双向ＤＣ．ＤＣ基本变换器中提取出许多可以用于组合产生ＰＷＭ加相移控制双向ＤＣ－ＤＣ变换器的基本变换单元。图４以ＢＵＣＫ变换器为例说明了双向ＤＣ．Ｉ）Ｃ基本变换单元的产生过程。图４Ｃａ）中电感两端的电压波形为方波，如图４（ｂ）所示移掉电感，就可以得到一个幅值可以通过
ＰｗＭ调节的方波电压源。
１３８
３．２冈ｍ加相移控制双向ＤＣ．ＤＣ变换器的组
成
当图５中的基本变换单元被用于构成相移控制双向ＤＣ－ＤＣ变换器时，基本变换单元输人端菱形接点端口连接电压源或有
第十五届全国电源技术年会论文集
Ⅱ（１）ａ）
墅
．垦！空．
（１）
图５双向ＤＣ－ＤＣ变换器的基本变换单元
源负载（设为ｖ）。其中空心菱形接点为正极性，而实心菱形接点为负极性；输出端圆形接点用来连接电感、变压器等组件如图１所示。在变换单元工作中，从基本变换单元的输出端口看进去，可以等效成为一个方波电源。方波电源的正、负幅值是占空比Ｄ和输入电压Ｖ的函数，分别设为ｆ（Ｄ，Ｖ）和ｇ（Ｄ，Ｖ）。根据基本变换单元输出端所连接电感电压伏秒平衡原理。可以得到方波电源的正幅值以Ｄ，ｙ）和负幅值ｇ（Ｄ，ｙ）。根据其输出端日方波电压幅值不同．图５中的基本变换单元可以分为以下三组：
Ａ．变换单元（ａ），（ｒａ）：
，（Ｄ，ｙ）＝ｘ（１一Ｄ）Ｖ，ｇ（Ｖ，ｙ）＝ＫＤＶ
Ｂ变换单元（ｂ），（ｃ）．（ｄ），（ｆ），（ｇ），（ｈ），（ｉ），（Ｊ）：
“Ｄ，Ｖ）＝ＫＶ，ｇ（Ｄ，Ｖ）＝ＫＤＶ／（１一Ｄ）
Ｃ．变换单元（ｅ），（ｋ），（１）：
，（Ｄ，Ｖ）＝Ｋ（１一Ｄ）Ｖ／Ｄ，ｇ（Ｄ，Ｖ）＝ＫＶ
其中，Ｄ是开关Ｓ的导通比，Ｋ为常系数，其取值如表１所
尔。
表１常系数Ｋ
ＣＥＬＬ
ｌ
（ａ）一（１）
ｊ（ｍ）
为了实现Ｐ州加相移控制，占空比Ｄ的调节必须使得变换
单元ｓｗｉｔｃｈ
ｃｅｌｌ
Ｉ输出端电压的正、负幅值总是和变换单元
ｓｗｉｔｃｈ
ｃｅｌｌⅡ输出端电压的正、负幅值分别相等。因此ＰＷＭ加相
移控制的条件可以用方程（１）表示如下：
＾（Ｄ，Ｖ１）＝咿Ⅱ（Ｄ，坨）１
ｇ。（Ｄ，ｙ１）；憎Ⅱ（Ｄ，住）ｊ
‘１）
，、
其中Ｎ是变压器的变比如图１所示，＾（Ｄ，Ｖ１）是变换单元ｓ埘ｔｃｈ
ｃｅｌｌ
Ｉ输出电压ｋ的正幅值“Ｄ，Ｖ２），是变换单元ｓｗｉｔｃｈ
ｃｅｌｌ
ＩＩ
输出电压ｋ的正幅值，ｇ。（Ｄ，Ｖ１）是变换单元ｓｗｉｔｃｈ
ｃｅｌｌＩ输出
电压、０的负幅值，ｇⅡ（Ｄ，ｖ２）是变换单元ｓｗｉｔｃｈｃｅｌｌ
ｌｌ输出电压
ｖ。的负幅值。
图５中基本变换单元输出端在一个开关周期内的平均电压
为零，即：
珥（Ｄ，Ｖ１）一（１一Ｄ）ｇ。（Ｄ，Ｖ１）＝０
１
珂ｉ（Ｄ，坨）一（１一Ｄ）ｇⅡ（Ｄ，Ｖ２）：０Ｊ
、‘７
由方程（２）可以得到：
＾（Ｄ，ＶＩ）／９１（Ｄ，Ｖ１）＝ｆⅡ（Ｄ，Ｖ２）／ｇＤ（Ｄ，Ｖ２）
（３）
于是ＰＷＭ加相移控制条件方程（１）可以简化为：
＾（Ｄ，Ｖ１）＝Ｎｆａ（Ｄ，Ｖ２）
（４）
也就是说对于任意的ｖ１、ｖ２，总是存在Ｄ（１＞Ｄ＞０）使上式成立，则可以实现ＰＷＭ加相移控制。
４综合举例
将图５中的双向ＤＣ／ＤＣ基本变换单元按照图１所示的结构适当组合，我们就可以得到ＰＷＭ加相移控制双向ＤＣ／ＤＣ变换器
族。
如果用于构造变换器的两个基本变换单元是同一组的，比如两个基本变换单元分另Ⅱ是Ａ组的ＣＥＩＬ（ａ）和ＣＥＩＬ（ｍ），直流源ｖｌ和基本变换单元ＣＥＬＬ（ａ）的等效方波电源的正幅值（１一Ｄ）Ｖ１，负幅值为ＤＶｌ；直流源ｖ２和基本变换单元ＣＥＩＬ（ｍ）的等效方波电源的正幅值为２（１一Ｄ）坨，负幅值为２ＤＶ２。根据式（４）可以知道，只有当两侧的直流源电压幅值满足关系式ｙ１＝２ＮＶ２时，两个等效方波电源的正、负幅值才能分别相等。否则无论如何调节占空比Ｄ，都无法使两个等效方波电源的正、负幅值分别相等。也就是说当两个基本变换单元属于同一组时，就不能实现ＰＷＭ加相移控制。
如果用于构造变换器的两个基本变换单元是不同组的，比如两个基本变换单元分别是Ａ组的ＣＥＬＬ（ａ）和Ｂ组的ＣＥＬＬ（ｂ），直流源ｖｌ和基本变换单元ＣＥＩＬ（ａ）的等效方波电源的正幅值为（１一Ｄ）ｙ１，负幅值为ＤＶｌ；直流源ｖ２和基本变换单元
１３９－
ＰＷＩ、＿Ｉ加相移控制双向ＤＣ．Ｄｃ变换器的综合
ＣＥＬＬ（ｂ）的等效方波电源的正幅值为、，２，负幅值为ＤＶ２／（１一能够减小变换器的电流应力和通态损耗，而且能够拓宽变换器Ｄ）。根据式（４）可以得到Ｄ＝（Ｖ１一ＮＶ２）／Ｖ１，即对于任意的ｖ１、的ＺＶＳ范围。本文分析了ＰＷＩＶｌ加相移控制必须满足的条件，并ｖ２，总是存在Ｄ（１＞Ｄ＞ｏ）使式（４）成立，故由分别属于Ａ组和Ｂ根据这些条件提出了一种组合ＰＷＭ加相移控制双向ＤＣ—Ｄｃ变组的两个变换单元构成的双向ＤＣ／ＤＣ变换器可以实现ＰｗＭ加换器新拓扑的方法。
相移控制。同理可以证明其它不属于同一组的两个基本变换单元的组合也可以实现ＰＷＭ加相移控制。
参考文献
图６为由分别属于Ａ组和Ｂ组的两个基本变换单元构成的…１
Ｈｕｉ
Ｌｉ，Ｐｅｎｇ，Ｆ．Ｚ，ＬＷｌｅｒ，Ｊ．Ｓ．，“Ａ
ｎａｔｕｒａｌＺＶＳ
ｌｌｉ出ｐｏｗｅｒ
ｂｉ—ｄｉ—
典型电路；图７为由分别属于Ａ组和Ｃ组的两个基本变换单元ｒｅｅｔｉｏｎａｌＩ）Ｃ－ＤＣｃｏｎｖｅｉ＇ｔｅｉ＂ｗｉｔｈ
ｍｉｎｉｍ岫ｎｕｍｂｅｒｏｆ＆ｖｉｃｅｓ”．Ｃｏｎ蛔ｌｃｅ
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Ｘｕ，∞ｄ
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Ｐｌ＇船寸蛐Ｃ蚰ｔｍｌ
Ｂｉｄｋｅｅｔｉｃｍａｌ
Ｉ）Ｃ．Ｄｃ
Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．”匝ＥＥ
Ｐｉｎｅ
ｏｆ
６４１－６４７．
［３］（、螂ｏｍ，Ｉ）ｅｌ∞ｎｇＸｕ，ＹⅧ妇塔Ｗａｎｇ，ａＩｌｄＹｉｒａ－ＳｈｕＬｅｅ，“ＡＮｅｗ
Ｆ蹦ｆｉ！．ｙ
０ｆ姝Ｓ池ｈｉＩＩｇ升ｔ８盼－ｓｂｉ删Ｂｉｄ】∞舐ｏｒｌ８ｌＤＣ－ＩＸＩ∞刑懒，”
ＩＥＥＥ
Ｐｉｎｅ．０ｆ飚ｃ’０１，ｐｐ．８５９－８６５，．
［４］ｈＩⅢＪａｉｎ．ＰｍｖｅｅｎＫ．Ｊａｉｎ，刊ｌ‰ｔｔｅｏｏｆ
８
ｂｉｅｌｉ．
图６由分别属于Ａ组和Ｂ组的两个删叫ｄ
Ｄｆｍｉｅｌｅ，“川蛳８Ｄ（；Ｄｃｏ∞竹ｅｒｔ盯ｔｏｐｏｌｏｇｙｆｏｒｌｏｗ
ｐａｗｅｒ印ｐｌｉｃ蚵衄，”ＩＥＥＥ
基本变换单元构成的典型电路
Ｐｉｎｅ．０ｆＣＣＥＣＥ’９７，ｐｐ．５４８—５５１．
５结论
（上接第１２９页）
Ｎｏｖ．１９８９，ＰＰ
［４］王聪．软开关功率变换器及其应用【Ｍ］．北京：科学出版社，
一…。…”…一…［５］Ｋ．ⅥｄⅫ目∞，“Ｃｔｍ∞ｔ
ｖｎⅡ，”观Ｅ…Ｐ№．０ｆＰＫＳｅ’８９，ｐｐ．８３５ ８４２
［６］ＢｉｓⅧｊｉｔ
Ｒａｙ，“Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ、ｎ础ｅｏｎｔｎ）ｌｌｅｄ
ｈｉ曲ａｃｔｉｖｅ晡ｄ萨ｄｅ－ｔｐｄｅ
“Ｄｃ，Ｄｃｐｏｗｅｒ４ｂｉｄｉｒｅｅｆｉｆｍａｌ…ｃｏｎｖｕｌｓｉｏｎｃｏｎｖｅｒｔｅｒ”，ＩＥＥＥ
图７由分别属于Ａ组和Ｃ组的两个Ｔｍ瑚．Ｉｎｄｍ时＾Ｈ】ｌｉｃ日ｔｉｏ憎，砌１Ａ－２８，ｎ０
６，ＰＰ．１２９４－１３０１，Ｎｏｖ．／
基本变换单元构成的典型电路
Ｄｅｃ．】９９２．
作者简介
范海峰，男，１９７８年９月生。硕士研究生。研究方向为双向
Ｄｃ，ＤＣ变换技术。
赵川红。女，１９７＂／年１１月生，硕士研究生。研究方向为软开
关变换器等。
图８由分别属于Ｂ组和Ｃ组的两个徐德鸿，男，１９６１年８月生，教授，博士生导师，研究方向为
基本变换单元构成的典型电路
高频半导体功率变化技术、先进控制在电力电子中的应用和谐
波抑制与电力品质等。
ＰＷＭ加相移控制结合了删控制和相移控制的优点．不但
，［５］Ｍｉｃｈｉｌｔｉｋｏ
Ｎａ卿蚰ｄ
Ｋ００鲫ｋｅ
ｍｒａｄａ．Ｉｎｄｕｃｔｏｒ
ｅｏｍｍｕｔａｆｉｏｎ～
ｔｌｙｔ］ｏｅｋ
ｃｏｎ．
ｍｉｎｇ
ｃｏｎ．
ｓＬｍｔ一矗ｅｑ＾１ｅ【１ｃｙ
ｑｕａ碰 陀∞ｎ枷ｔｏｐｏｌｏｇｙ，”ＩＥＥＥ
Ｐｉｎｅ．０ｆ
ｌｓ（舢’９３，ＰＰ．
３４７－３５１１．
【７］ＭｕｓｔａｍｉＨ．ＫｈｅＩｊｄｕｗ山ａｎｄｌｔＡＮＤＡ：Ｌ．Ｗ．Ｇ∞ｅｏｉｇｎｅ，“Ｐｅｆｆｏｒ－
ｍｍｃｅ
ｃｌｌａＩⅢｅ枷∞ｏｆａＳｏｆｔ—
４８—５３．
Ｓｗｉｔｃｈｅｄ嗍Ｉｎｖｅｒｔｅｒ
Ｄｒｉｖｅｂｙ
Ｆ唧１唧一ＭｏｄｕｌａｔｅｄＰＷＮＳ训
［Ｊ］．ＩＦ．ＦＡｇ
Ｔ１１ＡＮＳＡＣｌｌＯＮＳＯＮ
Ｐ０Ⅳ既ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ，砌．１３。ＮＯ．
２０００
１．ＪＡＮ．１螂．
１４０
