双向DC-DC隔离型直流电源 汇报人：徐鑫宇 导师：黄健 高效永磁电机及动力系统课题组 1/21 汇报内容 1 背景及意义 2 单相整流研究进展 3 交错并联buck研究进展 高效永磁电机及动力系统课题组 2/21 研究背景 开关电源适用于从低功率到高功率的各种设备，涵盖了消费电子、通信设备、计算机、工业自动化、电 动工具、医疗设备等各个行业。无论是在家庭、办公、工业还是医疗等领域，开关电源都发挥着至关重 要的作用。 高效永磁电机及动力系统课题组 3/21 研究背景 2016 年 中 国 电 源 市 场 规 模 首 次 突 破 2000亿大关，达2056亿元，同比增 长6.9%，2018年，中国电源市场的 规模达到2459亿元，同比增长5.95%。 高效永磁电机及动力系统课题组 工信部发布的《2020年4月电子信息制造 业运行情况》显示，2020年1-4月，电子 信息制造业营业收入与利润总额同比增长 15%，营业收入利润率为3.39%，营业成 本同比下降2.1%，2020年4月末，全行业 应收票据及应收账款同比增长7.9%。 4/21 研究背景 为了响应国家能源利用的数字化与智能化转型的号召，同时也得益于数字信号处理技术与半导 体技术的不断发展，更高性能的开关电源正成为市场未来追逐的目标 高效永磁电机及动力系统课题组 5/21 研究背景 双向电源主拓扑结构 + H1 M1 S1 L1 M3 N1 Q1 N3 Q2 Q3 Lr L3 R1 L4 R2 L5 R3 C3 C1 Lm L2 H2 C2 Cr S2 M2 M4 N2 N4 Q4 Q5 Q6 双向直流开关电源拓扑结构 电路由前级的PWM整流电路、LLC谐振变换电路以及后端的交错并联Buck电路构成，其可以实现对交 流电的整流及功率因数校正、电压等级变换以及最终输出的精确控制； 控制对象为与网侧相连的PWM整流电路以及输出端的交错并联Buck电路。 高效永磁电机及动力系统课题组 6/21 研究背景 双向电源控制策略研究 问题 解决方案 预期效果 双向直流开关电源 整流侧电能质量差、 抗干扰能力弱 图腾柱无桥PFC结合 自抗扰控制及网侧电 压前馈补偿技术 提升网侧功率因数，降 低电流谐波总畸变率， 增强系统抗干扰能力 双向直流开关电源 输出侧动态稳态性 能、带载能力差 交错并联Buck结合均 流控制技术 降低输出电压电流的纹 波率，并提高系统的整 体增益 高效永磁电机及动力系统课题组 7/21 汇报内容 1 背景及意义 2 单相整流研究进展 3 交错并联buck研究进展 高效永磁电机及动力系统课题组 8/21 单相整流研究研究 谐波产生的原因 uo ωt O ui io ωt O ui ii C uo R ii ωt O 经典波形 电流谐波 传统不可控整流电路 由于储能滤波电容的存在，只有在电容C充电期间才有电网的输入电流Ii，其它时间输入电流为零， 该电流为峰值很高的脉冲电流 由于输入电流存在波形畸变因而会导致网侧功率因数下降，并产生高次谐波分量污染电网 高效永磁电机及动力系统课题组 9/21 单相整流研究研究 APFC原理分析 Uo + ii ui VD L VT EMI 滤波 ud C uc iL ud PWM 的生成 采样及 滤波 I s* 乘法器 PI U c* 工作原理控制框图 通过升压斩波变换电路调节开关管开关的占空比，控制已整流后的电流，使之在对滤波电容充电 之前能与整流后的电压波形相同，从而避免形成电流脉冲，达到改善功率因数的目的 高效永磁电机及动力系统课题组 10/21 单相整流研究研究 峰值电流控制法 u VD L Uo + ii ui ud - VT C UC iL I s* ud ωt ui 乘法器 ui ii 采样及 滤波 PWM 的生成 R iL O ii 1/K ud i ωt O I s* PI 峰值电流控制法原理图 U c* 峰值电流控制方式波形图 开关导通时，iL从零逐渐开始上升；iL的峰值刚好等于指令电流给定值I*s。开关VT截止，电感电 流iL开始下降； 即开关VT导通时，电感电流上升；开关VT截止时，电感电流下降。电感电流iL的 峰值包络线就是I*s 。 高效永磁电机及动力系统课题组 11/21 单相整流研究研究 电流滞环控制法 + ii ui u VD L Uo iL ud VT C ud i I s* iL Uc ωt O - ui R 1/K ud 乘法器 采样及 滤波 比较器 I s* ii ui ii ωt O PI 电流滞环控制法原理图 U c* 电流滞环控制方式波形图 主电路的输出电压与给定基准电压值比较后，输入给PI调节器，PI调节器的输出和整流后的输入 电压标幺值相乘作为指令电流。与检测的实际电流做差，然后进行滞环调节。使电感电流跟随电 压变化，使电网侧达到单位功率因数 高效永磁电机及动力系统课题组 12/21 单相整流研究研究 平均电流控制法 L + ii ui u VD I s* Uo iL ud VT C ud i iL uc ωt O - ui R 1/K ud 乘法器 PWM 比较器 采样及 滤波 I s* ii ωt O PI 平均电流控制法原理图 ii ui U c* 平均电流控制方式波形图 平均电流控制法中指令电流的产生与峰值电流控制法、滞环电流控制法也一样，不同之处是实际 电流经电流误差放大器或动态补偿器代替电流比较器。输出的结果与锯齿波或三角波比较，产生 PWM波控制开关器件，达到稳定电压和控制输入电流与输入电压同相的目的。 高效永磁电机及动力系统课题组 13/21 汇报内容 1 背景及意义 2 单相整流研究进展 3 交错并联buck研究进展 高效永磁电机及动力系统课题组 14/21 交错并联buck研究 交错并联Buck变换器 高功率场景需求：5G基站/电动汽车充电功率突破3kW 传统单相Buck瓶颈：电感体积占比>40%，动态响应时间>200μs 交错并联优点：降低导通损耗，小电感提高瞬态响应速度，以较低开关频率实现高频率输出，低 纹波电流输出 高效永磁电机及动力系统课题组 15/21 交错并联buck研究 均流控制技术 输出阻抗法通过改变各相负载斜率特性，从而实现均流 有源均流法主要依赖于电流采样，进行处理后实现各相均流 受限于传感器成本以及采样精度，无电流传感器的均流控制方案是目前研究的主流方向 高效永磁电机及动力系统课题组 16/21 三相交错并联Buck分析 三相交错并联Buck拓扑 1/3<D<2/3时开关管驱动信号 三相交错并联输出电流纹波比值与占空比关系 0<D<1/3时开关管驱动信号 2/3<D<1时开关管驱动信号 三相交错并联输出电压纹波比值与占空比关系 开关管驱动信号不同占空比 高效永磁电机及动力系统课题组 17/21 三相交错并联Buck分析 单相Buck输出电流波形 三相交错并联Buck输出电流波形 三相交错并联Buck电路相比于传统单相Buck电路，输出电流纹波明显减小 高效永磁电机及动力系统课题组 18/21 均流技术研究 下垂特性曲线 下垂法简单易于实现，通常用于中小功率，通过改变不同支路输出阻抗的大小，轻载时均流效果差 主从法确定一相为主相，其余为从相，主相输出电压和参考电压差值作为主从相的电流参考值 平均电流法将各相电流采集，求平均值，再将各相电流与平均电流进行比较，差值送入调节器，调 节器产生相应动作以保证各相电流均衡 自动跟踪法利用二极管的单相导通特性，自动选择电流最大相作为主相，其余操作同主从法 高效永磁电机及动力系统课题组 19/21 均流技术研究 无电流传感器均流控制方方法 占空比补偿均流等效电路 d V V d V V d V V I1 I 2 I 3 1 i O 2 i O 3 i O R1 R2 R3 占空比补偿示意图 Vi d ( M 1)( d1 1) 2 2 Vo Vi d ( M 1)( d1 1) 3 3 V o Vi d ( M 1)( d1 1) N N V o d1 d1 d 2 d1 d 2 d d d 1 3 3 d1Vi I 1 R 1 (d1 d 2 )Vi I 2 R2 (d1 d N )Vi I N RN 定义占空比𝒅𝑵 = 𝒅𝟏 +∆𝒅𝑵 ，以第一相为基准，各相达到均流条件需要补偿占空比的值 将补偿占空比∆𝒅𝟐 作为占空比𝒅𝟏 、 𝒅𝟐 差值的参考值，再通过限幅和补偿环节得到𝒅𝟐 的值，补偿环 节的引入，可以消除静态误差，提高均流精度 高效永磁电机及动力系统课题组 20/21 高效永磁电机及动力系统课题组 21/21