1、雙向變換器的兩段式軟起動方法雙向變換器的兩段式軟起動方法楊孟雄，阮新波，金科（南京航空航天大學航空電源重點實驗室，江蘇南京210016）TwoPhaseSoftStartMethodfBidirectionalDCDCConverterYANGMengxiongRUANXinboJINKe(NanjingUniversityofAeronautics&AstronauticsNanjing210016China摘要：摘要：雙向變換器在兩

2、端“源”的運用場合下，采用傳統(tǒng)的軟起動方法，由于開關管互補導通，會從輸出端“源”引入反向電感電流，導致?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方法，通過對主控管和被控管均實施軟起動，可以實現(xiàn)雙向變換器在兩端“源”下的開機軟起動，避免產(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，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及在燃料電池供電系統(tǒng)中開機的實驗結果，驗證了雙向變換器兩段式軟起動

3、方法的有效性。關鍵詞：關鍵詞：雙向變換器，燃料電池，蓄電池，軟起動，兩端源運用場合。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)以及電動汽車等領域中得到了應用。近年來，隨著光伏發(fā)電、風力發(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，然后通過后級逆變器得到220V50Hz交流電給負載供電。雙向變換器連接了直流母線和蓄電池，承擔著控制能量雙向流動的作用。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，其具有結構簡單，易于控制，動態(tài)響應快等優(yōu)點[7][8]。為了減小DCDC變換器開機時的浪涌電流，一般需要采用軟起動方法。對于雙向變換器，如果將其看作“一機兩用，分時復用”，即將其看作分別是不同時間兩個方向的單?本文工作得到教育部新世紀優(yōu)秀人才計劃資助。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)動信號后兩管互補工作，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，每個開關周期內(nèi)電感上的負向伏秒面積大于正向伏秒面積，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)換過程中的主要仿真波形。從中可以看出，在t1時刻之前被控管Q2未給驅(qū)動信號，變換器工作在DCM

10、模式。當給被控管施加驅(qū)動信號，并與主控管Q1互補工作，電感電流將會反向增加，其最大值達到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致電感飽和，同時使開關管過流損壞。因此被控管延時驅(qū)動方法在負載較輕時不可行。4.兩段式軟起動方法的原理與電路實現(xiàn)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)動脈寬由零逐漸增大，實際上僅實施了主控管“軟起動”。如果類似地對被控管實施“軟起動”，使被控管的驅(qū)動脈寬

11、也由零逐漸增大，那么在負載較輕時，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“兩段式軟起動方法”。被控管的“軟起動”可以延時施加或者無延時施加，相應的兩段式軟起動方法有兩種實現(xiàn)方法。4.1方法方法1在主控管軟起動完成后，延時一段時間實施被控管軟起動。其控制框圖和主要波形如圖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。t0時刻開機，電流源IS1給外部軟起動電容CS1充電。軟起動電容電壓VS1、輸出電

12、壓閉環(huán)的輸出信號VEA_Vo及鋸齒波VRAMP1送入PWM比較器后，得到主控管的驅(qū)動信號Q1。脈沖信號B2與Q1互補。Q1的占空比從零逐漸增大，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。t1時刻，Q1增大至額定占空比，輸出電壓達到穩(wěn)定值，因而此后電壓閉環(huán)將給定Q1為額定占空比。開機后延遲td時間，在t0＋td時刻電流源IS2給外部軟起動電容CS2充電，軟起動電容電壓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DSS，其占空比從零逐漸增大至“1”。被控管的驅(qū)動信號Q2由B2與DSS邏輯與得到，此時DSS的占空比尚小，被控管沒有驅(qū)動信號。DSS的占空比持續(xù)增大，在t2時刻，開始出現(xiàn)被控管驅(qū)動信號Q2。隨著DSS的占空比繼續(xù)增大，Q2的占空比從零逐漸增大，實施被控管軟起動。此時如果負載較輕，變換器可iLfQ1Q2t1圖4.被控管延時驅(qū)動仿真Fig.4Passivedrivedelaymetho