Buck-Boost型雙半橋DC/DC變換器研究

施林涵 林國慶 徐質彬 林威偉

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108）

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Buck-Boost型雙半橋DC/DC變換器研究

施林涵 林國慶 徐質彬 林威偉

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108）

本文設計了一個應用于光伏系統中的 Buck-Boost型雙半橋 DC/DC變換器，研究一種PWM控制與移相控制結合的充電與供電控制策略：通過移相控制實現光伏電池對負載的供電，通過PWM控制實現光伏電池對蓄電池的充電。最后結合仿真和實驗結果，驗證了該方案的可行性。

Buck-Boost；PWM；移相控制；能量管理

能源是人類社會發展和進步的基礎，隨著世界化石能源的日益枯竭，新能源的開發和利用成為了未來能源發展的方向[1-2]，在各類新能源的利用中，光伏發電系統的開發應用得到了廣泛的研究[3-4]。文獻[5]提出了一種應用于光伏系統的并聯式雙輸入變換器，文獻[6]研究了一種非隔離型的雙輸入拓撲，文獻[7]對半橋電路在離網型光伏系統中的應用做了研究。

光伏發電系統除了太陽能電池和負載，還需搭載蓄電池作為儲能模塊。光伏電池和蓄電池的電壓等級不高，在電壓較高的應用場合中需要用隔離電路進行升壓。同時光伏電池和蓄電池各自使用一套供電拓撲會增大系統的成本。針對上述問題，本文設計了一個基于Buck-Boost型雙半橋DC/DC變換器的光伏系統，將蓄電池的充電電路和對負載供電電路耦合起來，采用PWM控制與移相控制相結合方式控制系統運行。

1　Buck-Boost型雙半橋DC/DC變換器

本文提出的Buck-Boost型雙半橋DC/DC變換器拓撲如圖1所示，PV代表光伏電池、bat代表蓄電池，D0為反向阻斷二極管，起保護光伏電池的作用，以避免由于蓄電池端電壓高于光伏電池端電壓時蓄電池反向放電給光伏電池帶來的損害。

圖1　主電路拓撲

將變壓器T和半橋電路四個開關管S1—S4及電容C1—C4獨立出來得到升壓雙半橋DC/DC等效電路如圖2所示，變壓器T實現了原副邊的電氣隔離，Lr為變壓器漏感折算到原邊的電感值與外接電感之和，是變壓器兩側能量傳輸的重要元件。該電路通過調節對應的開關管S1/S3，S2/S4之間的相角的超前和滯后，可以實現能量的雙向傳輸，本文只研究能量的正向傳輸的情況，即控制開關管S1、S2的相位角分別超前S3、S4時，能量從原邊向副邊傳遞。

圖2　雙半橋DC/DC變換電路

如圖3所示，光伏電池對蓄電池充電電路與在原副邊傳輸功率的雙半橋 DC/DC變換電路共用原邊的兩個開關管，構成Buck-Boost電路，該電路由開關管S1和S2、電感Ldc和電容Cbat構成。從電路的輸入輸出關系可以得到

式中，D為開關管S1的占空比，開關管S2的占空比與 S1互補即為 1?D（實際使用中留有死區），控制占空比D就可以控制光伏電池對蓄電池充電。

圖3 光伏電池對蓄電池充電電路

圖4為電路運行時的工作波形圖，可以看出電路在一個開關周期一共有4個運行階段。

圖4　電路工作波形圖

通過變壓器原邊漏感上的電壓-電流公式可得

再通過基爾霍夫定理和電感伏秒積公式求出當開關管S1和S2分別開通時漏感兩側電壓大小：

聯立式（2）和式（3），當系統達到穩態時，輸出功率的表達式為

根據式（4）可以看出輸出功率與移向角度間存在關系，當對應前后橋臂的移相角較小時，由于漏感上的電流上升的時間短，即使后期能量傳遞時間長，輸出功率較小。當對應前后橋臂的移相角較大時，漏感上的電流上升的時間長，但后期能量傳遞時間短，輸出功率也比較小。

2　控制策略

上一節推導出了系統輸出功率的表達式，得出系統輸出電壓可以通過移相角度 φ1，占空比D和開關頻率 fs進行控制。變頻的控制方式會對濾波電感產生較大影響，不利于系統參數的設計。所以本文設計的變換器一共有兩個自由量，分別為移相角度φ1和占空比D。

2.1蓄電池充電控制策略

為了延長蓄電池壽命，不能單獨采用恒壓充電或恒流充電。根據式（1）的關系可知，改變占空比D的大小，可改變蓄電池的充電電壓，在電路中采樣蓄電池的電壓電流 Ubat、Ibat，編寫單片機程序控制開關管占空比D對蓄電池進行三段充電，如圖5所示。初期荷電狀態低時恒流充電，中期恒壓充電，后期浮充。

圖5　蓄電池三段充電特性曲線

2.2移相控制策略

根據式（4）可知，電路能量傳遞的大小通過控制對應前后橋臂的移相角角度來調節。當系統的輸入電壓增大時，由于對蓄電池三段充電實現閉環控制，占空比D會隨之改變，進而影響副邊輸出電壓，此時通過移相角調整使輸出電壓穩定。當輸出負載變化時，同理調整移相角角度。在夜晚或無光照情況下，蓄電池單獨給負載供電，此時可控制占空比不變，僅保留移相角這個控制量。

2.3控制電路實現

圖6為電路的控制結構圖。由蓄電池電壓電流采樣、光伏電池電壓電流采樣、dspic單片機、原邊開關管驅動電路、副邊開關管隔離驅動電路和輸出電壓采樣幾部分構成。蓄電池電壓電流采樣實現了對蓄電池的三段充電控制，在三段充電控制完成后改變移向角，實現輸出電壓閉環控制，整個控制電路以dspic16gs502單片機為核心，該單片機可以通過改寫相應寄存器改變 PWM對的占空比、產生橋式電路的互補信號和產生一個移相角，與模擬電路相比，控制精確，動態響應快。

圖6　電路控制結構圖

3　仿真分析

本文采用 Saber仿真軟件搭建了仿真原理圖。仿真參數設定為：fs=50kHz，Upv=20～40V，Ldc=400μH，Lr=7.5μH，C1=C2=1000μF，C3=C4= 100μF，副邊負載用電阻R表示。

圖7為不同輸入電壓時，系統輸出電壓波形圖。當電壓在25～35V間變化時，分別仿真三個不同輸入情況下系統穩定后輸出電壓的有效值，發現其穩定在160V左右；圖8是不同輸入下對應的開關管占空比D和蓄電池電壓波形，為實現蓄電池恒壓充電，占空比D隨著輸入電壓增大而減小。圖9是不同輸出負載時，系統的輸出電壓。

圖7　不同輸入電壓時，系統輸出電壓波形圖

圖8　不同輸入電壓時，蓄電池充電電壓波形圖

圖9　不同輸出負載時，系統輸出電壓波形圖

4　實驗結果

為驗證所提出的 Buck-Boost型雙半橋 DC/DC變換器的可行性，搭建一臺實驗樣機，設計要求如下：光伏電池輸入電壓：20～40V DC，額定輸出電壓：160V，實驗中采用直流穩壓源串接滑動變阻器來模擬光伏電池；系統工作頻率：50kHz；蓄電池使用愛普遜閥控密封式鉛酸蓄電池，標稱電壓：12V，20h容量7Ah。

圖10和圖11為光伏電池輸入電壓分別為25V 和35V時，系統原副邊開關管下管S2和S4的驅動波形、蓄電池電壓波形和輸出電壓波形。電壓從25V變化到35V時，移相角度從23°下降到 19°，占空比則從 61.9%上升到 69.4%，輸出電壓和蓄電池充電電壓通過閉環調節實現穩定。

圖10　VPV=25V時，開關管驅動、輸出電壓、蓄電池電壓波形

圖11 VPV=35V時，開關管驅動、輸出電壓、蓄電池電壓波形

圖12為輸入不變，負載變化時，開關管驅動和輸出電壓波形，當負載電阻R從600Ω變化到300Ω時，移相角由28°提高到45°，輸出電壓不變。圖13為調整開關管占空比，控制蓄電池恒流充電的波形，蓄電池充電電流穩定在700mA。

圖12　負載變化時，開關管驅動和輸出電壓波形

圖13　蓄電池恒流充電波形

5　結論

本文設計了一個光伏系統中使用的 Buck-Boost型雙半橋DC/DC變換器，并研究一種應用與該電路的PWM控制與移相控制結合的控制策略，先通過PWM控制實現光伏電池對蓄電池的智能充電，再通過移相控制實現對負載的恒壓供電。文章對電路拓撲和控制策略進行了分析，并結合仿真和實驗結果論證了該拓撲和控制策略的可行性、有效性。

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Research on Buck-Boost Double Half Bridge DC/DC Converter

Shi Linhan Lin Guoqing Xu Zhibin Lin Weiwei
(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108)

The paper designed the Buck-Boost double half bridge DC/DC converter in photovoltaic system and researched a kind of charging and power supply control strategy that combined with PWM control and phase shift control: through phase-shifting control realizes the supplying from photovoltaic battery to the load, through PWM control realizes intelligent charging from photovoltaic battery to the battery, finally combined with simulation and experimental results to verify the feasibility of the scheme.

buck-boost; PWM; phase shifting control; energy management

施林涵（1991-），男，福建福州人，碩士研究生，研究方向電氣工程。