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1、双向变换器的两段式软起动方法*杨孟雄，阮新波，金科（南京航空航天大学航空电源重点实验室，江苏 南京 210016）Two-Phase Soft Start Method for Bi-directional DC-DC ConverterYANG Mengxiong, RUAN Xinbo, JIN Ke(Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, China摘要：双向变换器在两端“源”的运用场合下，采用传统的软起动方法，由于开关管互补导通，会从输出端“源”引入反向电感电流，导致损坏变换器。本文提出
2、了一种新颖的双向变换器两段式软起动方法，通过对主控管和被控管均实施软起动，可以实现双向变换器在两端“源”下的开机软起动，避免产生反向电感电流。两段式软起动方法适用于一族的双向变换器，并且可以推广到多电平双向变换器中。本文最后给出了双向变换器两段式软起动及在燃料电池供电系统中开机的实验结果，验证了双向变换器两段式软起动方法的有效性。关键词：双向变换器，燃料电池，蓄电池，软起动，两端源运用场合。Abstract: Due to complemented operation of switches in bi-directional converter, traditional soft start
3、 method will give rise to large inverse inductor current from the output source at double sources application, and result in damage of converter. This paper proposes a novel soft start methodtwo-phase soft start method. By implementing soft start of both active switch and passive switch, two-phase s
4、oft start method can realize bi-directional converter soft start at double sources application, avoiding inverse inductor current. Two-phase soft start method applies to a series of bi-directional converter and can be extended to multi-level bi-directional converter. Experimental results of two-phas
5、e soft start and startup in fuel cell power system are finally given to verify the effectiveness of two-phase soft start method.Key words: bi-directional converter，fuel cell，battery，soft start，doubles sources application。1. 引言 * 本文工作得到教育部新世纪优秀人才计划资助。This work was supported by the Program for New Cen
6、tury Excellent Talents in University, China.双向变换器在电池充电器，不间断供电系统(UPS)以及电动汽车等领域中得到了应用。近年来，随着光伏发电、风力发电、燃料电池等新能源分布式发电系统的大力发展，双向变换器的应用将变得更加广泛15。图1给出了一种燃料电池供电系统，它由燃料电池、单向DC-DC变换器、双向DC-DC变换器、逆变器和蓄电池构成6。单向DC-DC变换器将燃料电池宽范围的电压(200-400V)变换为360V的直流电压，然后通过后级逆变器得到220V/50Hz交流电给负载供电。双向变换器连接了直流母线和蓄电池，承担着控制能量双向流动的作用。
7、燃料电池供电系统中的双向变换器选用了Buck-Boost双向变换器，如图2所示，其具有结构简单，易于控制，动态响应快等优点78。为了减小DC-DC变换器开机时的浪涌电流，一般需要采用软起动方法。对于双向变换器，如果将其看作“一机两用，分时复用”，即将其看作分别是不同时间两个方向的单向图1. 燃料电池供电系统Fig.1 Fuel cell power system变换器，传统软起动方法可以直接引入到双向变换器中。在图的燃料电池供电系统中，双向变换器的两端分别是直流母线和蓄电池，传统软起动方法不再适用于此种两端“源”的运用场合。本文首先分析双向变换器采用传统软起动方法存在的问题，然后提出一种新颖的
8、双向变换器两段式软起动方法。 图2. Buck-Boost 双向变换器 图3. 传统的软起动产生反向电感电流Fig.2 Buck-Boost Bi-directional Converter Fig.3 Inverse inductor current in traditional soft start2. 传统软起动存在的问题在图2中，Buck-Boost双向变换器的高、低压端电压分别是VH和VL，开关管Q1，Q2互补工作。在Boost 模式下，变换器通过调节Q1来调节输出，所以定义Q1为主控管，Q2为被控管；同理，在Buck模式下定义Q2为主控管，Q1为被控管。传统的软起动方法是变换器开关
9、管的占空比由零逐渐增大，使输出电压、电流逐渐升高至稳定值。这对于单端“源”单端“耗散性负载”的运用场合是可行的。在两端“源”的运用场合下，如果双向变换器工作在Boost模式，VL通过双向变换器向VH供电。开机时主控管Q1的占空比从零逐渐增大，被控管Q2的占空比从“1”逐渐减小，如图3所示，电压VL以很小占空比正向加于电感Lf，而VH-VL以很大的占空比反向加于Lf，电感电流迅速反向增加，会导致电感饱和，器件过流而损坏。同样地，在Buck模式下也会产生很大的反向电感电流，导致变换器损坏。对于其他双向变换器，如双向Buck/Boost变换器、双向Cuk变换器、双向Zeta-Sepic变换器、双向F
10、orward变换器、双向Flyback变换器等，由于对偶的开关管的(有效)占空比是互补的，采用传统软起动都会从输出端“源”引入反向电流，导致变换器损坏，所以双向变换器在两端“源”的运用场合必须采用新的软起动方法。3. 被控管延时驱动方法双向变换器软起动时被控管的开通导致了反向电感电流，因此为了防止出现反向电流，可以在开机后延时一段时间再驱动被控管，即软起动时切掉被控管的驱动信号，利用其体二极管或反并二极管续流，软起动完成后再施加驱动信号。这种方法对于电感电流连续模式(Continuous Current Mode, CCM)是可行的。如果负载较轻，当被控管关断时，变换器将工作于电感电流断续模式
11、(Discontinuous Current Mode, DCM)。加入被控管驱动信号后两管互补工作，变换器将由DCM转为CCM工作。由于主控管的占空比在DCM时比CCM时的小，因此主控管占空比将会增加。在此过程中，每个开关周期内电感上的负向伏秒面积大于正向伏秒面积，电感电流将会反向增加。图给出了Boost模式下，双向变换器由DCM到CCM转换过程中的主要仿真波形。从中可以看出，在t1时刻之前被控管Q2未给驱动信号，变换器工作在DCM模式。当给被控管施加驱动信号，并与主控管Q1互补工作，电感电流将会反向增加，其最大值达到-14.2A。而在稳态工作时，电流平均值只有0.44A。如此大的反向电流将
12、会导致电感饱和，同时使开关管过流损坏。因此被控管延时驱动方法在负载较轻时不可行。 图4. 被控管延时驱动仿真Fig.4 Passive drive delay method simulating waveform4. 两段式软起动方法的原理与电路实现传统的软起动方法使主控管的驱动脉宽由零逐渐增大，实际上仅实施了主控管“软起动”。如果类似地对被控管实施“软起动”，使被控管的驱动脉宽也由零逐渐增大，那么在负载较轻时，双向变换器将由DCM平滑转换到CCM，避免电感电流反向大幅增加，这是“两段式软起动方法”。被控管的“软起动”可以延时施加或者无延时施加，相应的两段式软起动方法有两种实现方法。4.1方法
13、1在主控管软起动完成后，延时一段时间实施被控管软起动。其控制框图和主要波形如图5所示，其中A是外同步时钟信号，以同步锯齿波和RS触发器。t0时刻开机，电流源IS1给外部软起动电容CS1充电。软起动电容电压VS1、输出电压闭环的输出信号VEA_Vo及锯齿波VRAMP1送入PWM比较器后，得到主控管的驱动信号Q1。脉冲信号B2与Q1互补。Q1的占空比从零逐渐增大，实施主控管软起动，输出电压、电流缓慢增加，电感电流从被控管的体二极管或反并二极管续流，不存在反向电流。t1时刻，Q1增大至额定占空比，输出电压达到稳定值，因而此后电压闭环将给定Q1为额定占空比。开机后延迟td时间，在t0td时刻电流源IS
14、2给外部软起动电容CS2充电，软起动电容电压VS2从零线性上升。它与锯齿波VRAMP2交截后，得到辅助脉冲信号DSS，其占空比从零逐渐增大至“1”。被控管的驱动信号Q2由B2与DSS逻辑与得到，此时DSS的占空比尚小，被控管没有驱动信号。DSS的占空比持续增大，在t2时刻，开始出现被控管驱动信号Q2。随着DSS的占空比继续增大，Q2的占空比从零逐渐增大，实施被控管软起动。此时如果负载较轻，变换器可 (a) 控制框图 (a) 控制框图(b) 主要波形 (b) 主要波形图5. 两段式软起动方法1 图6. 两段式软起动方法2Fig.5 Two-phase soft start method 1 Fi
15、g.6 Two-phase soft start method 2以从DCM平滑转换到CCM。t3时刻以后，随着DSS增大至“”占空比，Q2达到额定占空比，与Q1互补，两段式软起动完成。4.2方法2在主控管软起动完成时，即实施被控管软起动。其控制框图和主要波形如图6所示。t0时刻开机，输出电压闭环的输出VEA_Vo为高电平，其与锯齿波VRAMP1交截，得到的脉冲信号B1为“1”占空比，互补的脉冲信号B2为零占空比。电流源IS给外部软起动电容CSS充电，软起动电容电压VSS从零线性上升。它与锯齿波VRAMP2交截后得到辅助脉冲信号DSS，其占空比从零逐渐增大至“1”。主控管的驱动信号Q1由B1和
16、DSS逻辑与得到，被控管的驱动信号Q2由B2和DSS逻辑与得到。此时Q1的占空比从零开始逐渐增大，实施主控管软起动，而被控管没有驱动信号。t1时刻，随着DSS的占空比增大，Q1增大至额定占空比，输出电压达到稳定值，因而此后电压闭环将给定B1为额定占空比。而DSS的占空比将仍在增大，故此后主控管的驱动信号Q1将保持为额定占空比。随着DSS的占空比继续增大，t2时刻开始出现被控管的驱动信号Q2，并且其占空比从零逐渐增大，实施被控管软起动。t3时刻以后，随着DSS增大至“”占空比，Q2达到额定占空比，与Q1互补，两段式软起动完成。两段式软起动方法1采用两个外部软起动电容分别实现主、被控管的软起动，因
17、此可图7. 被控管延时驱动方法Fig.7 Passive drive delay method experimental waveforms(a) 主控管软起动 (b) 被控管软起动(c) DCM转换到CCM (d) 稳态工作图8. 两段式软起动实验波形Fig.8 Two-phase soft start experimental waveforms(a) Buck模式开机 (b) Boost模式开机图9. 燃料电池供电系统中开机实验波形Fig.9 Two-phase soft start in fuel cell power system以分别调节两管软起动的快慢。方法2采用一个外部软起动电
18、容实现两管的软起动，两管软起动的快慢是一样的。针对Buck-Boost双向变换器提出的两段式软起动方法，适用于双向Buck/Boost变换器、双向Cuk变换器、双向Zeta-Sepic变换器、双向Forward变换器、双向Flyback变换器等一族的双向变换器。对于多电平的双向变换器，如果对不同的开关管作用相应的辅助脉冲，同样可以将两段式软起动方法推广到多电平双向变换器。5. 实验验证为了验证双向变换器两段式软起动方法的正确性，在实验室完成了一台原理样机，其中主要参数为：高压端电容CH=1120uF，低压端电容CL=330uF，电感Lf400uH，开关频率fs=50KHz，开关管为IRF460
19、。双向变换器工作在两端“源”的场合中，在Buck模式工作时，输入端VH340V，输出端VL240V，给蓄电池充电。在Boost模式工作时，输入端的蓄电池放电，将输出端VH由初始电压320V抬升至340V。蓄电池选用220V/7AH密封铅酸蓄电池，采用恒压恒流充电方式。以下将给出方法2两段式软起动的实验结果。图7给出了在燃料电池供电系统中，双向变换器Boost模式轻载时，被控管延时驱动方法的实验波形。t1时刻之前变换器工作在DCM，t1时刻给被控管加入驱动信号，变换器从DCM迅速转换到CCM，电感出现很大的反向电流，并导致一定的饱和，电流的变化率增大。反向电流的最大值达到-76A，而稳态电流平均
20、值仅为0.44A，可见此反向电流极易损坏变换器。同时输出端电压VH下跌了2.4V。图8依次给出了在燃料电池供电系统中双向变换器Boost模式轻载时，两段式软起动的主控管软起动、被控管软起动、电感电流DCM转换到CCM和稳态工作的实验波形。图8(a)主控管软起动时，被控管没有驱动信号，主控管驱动信号的占空比从零开始增大，电感电流处于断续状态，输出端电压VH为初始电压320V。由于变换器开关管的结电容与电感存在谐振，电感电流存在一定的振荡。图8(b)被控管软起动时，输出端电压VH上升到稳定电压340V，电感电流DCM工作。加入被控管的驱动信号Q2时，其占空比也是从零逐渐增大。图8(c) 变换器从D
21、CM转换到CCM工作时，随着被控管驱动信号Q2的占空比继续增大，电感电流从断续模式平滑过渡到连续模式，没有出现反向突变的情况，同时输出电压没有下跌。图8(d)稳态工作中，Q1、Q2驱动互补，电感电流处于过零连续模式，其平均值为0.44A，输出电压VH为340V。图9给出了双向变换器在燃料电池供电系统中两段式软起动的实验波形，其中高压端为直流母线，低压端为蓄电池。图9(a)是Buck模式开机的输出电压和电感电流波形。蓄电池的初始电压是200V，开机后变换器1.5A恒流均充蓄电池，蓄电池端电压VL缓慢上升，需经一段时间后进入浮充。图9(b)是Boost 模式开机的输出电压和电感电流波形。刚开始直流
22、母线为320V，蓄电池通过双向变换器向直流母线供电，使其电压升高，给后级逆变器和负载供电。开机后蓄电池首先进入2A恒流放电，直流母线电压VH从320V上升至340V后进入稳态工作，稳态放电电流为1.5A。由图9可见，在燃料电池供电系统中双向变换器两段式软起动，不存在反向电感电流，很好地实现了两端“源”运用场合下的开机软起动。6. 结论本文首先讨论了双向变换器的传统软起动的问题，分析了被控管延时驱动方法的不足，提出了一种新颖的双向变换器两段式软起动方法。两段式软起动方法有两种实现方法，可以实现双向变换器在两端“源”运用场合下的开机软起动，避免了反向电感电流。本文给出了实验结果，验证了双向变换器两
23、段式软起动方法的有效性。参考文献1 严仰光. 双向直流变换器M. 南京:江苏科学技术出版社, 2004. Yan Yangguang. Bi-directional DC-DC ConvertersM. Nanjing: Jiangsu Science & Technique Publisher, 2004.2 Peng F.Z., Li H., Su G.J. and Lawler J.S. A new zvs bidirectional dc-dc converter for fuel cell and battery applicationJ. IEEE Trans. on Po
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25、IEEE PEDS, 1999, pp.966-971;5 金科，杨孟雄，阮新波. 三电平双向变换器J. 中国电机工程学报, 2006, 26(18): 41-46.Jin Ke, Yang Mengxiong, Ruan Xinbo. Three-level Bi-directional converterJ. Proceedings of CSEE, 2006, 26(18):41-46.6 Jin K., Ruan X.B., Yang M.X. and Xu.M. A novel hybrid fuel cell power systemC. in Proc. IEEE PESC, 2
26、006, pp.2024-2030.7 Sable D.M.，Lee F.C. and Cho B.H. A zero-voltage-switching bidirectional battery charger/discharger for the NASA EOS satelliteC. in Proc. IEEE APEC, 1992. pp.614-621.8 朱成花, 张方华, 严仰光. 两端稳压软开关双向Buck/Boost变换器研究J.南京航空航天大学学报, 2004, 36(2): 226-230.Zhu Chenghua, Zhang Fanghua, Yan Yanggu
27、ang. Development of dual voltage control soft-switching bi-directional buck/boost converterJ. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, 2004, 36(2): 226-230.作者简介杨孟雄(1982-)，男，硕士研究生，研究方向为新能源供电系统；阮新波(1970-)，男，教授，博士生导师，研究方向为功率电子变换技术、电力电子系统集成和新能源供电系统。金科(1978-)，男，博士，研究方向为大功率高频软开关直-直变换器和新能源供电系统；