双向变换器的软起动策略

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-PhaseSoftStartMethodforBi-directionalDC-DCConverterYANGMengxiong,RUANXinbo,JINKe(NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing210016,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:Duetocomplementedoperationofswitchesinbi-directionalconverter,traditionalsoftstartmethodwillgiverisetolargeinverseinductorcurrentfromtheoutputsourceatdoublesourcesapplication,andresultindamageofconverter.Thispaperproposesanovelsoftstartmethod—two-phasesoftstartmethod.Byimplementingsoftstartofbothactiveswitchandpassiveswitch,two-phasesoftstartmethodcanrealizebi-directionalconvertersoftstartatdoublesourcesapplication,avoidinginverseinductorcurrent.Two-phasesoftstartmethodappliestoaseriesofbi-directionalconverterandcanbeextendedtomulti-levelbi-directionalconverter.Experimentalresultsoftwo-phasesoftstartandstartupinfuelcellpowersystemarefinallygiventoverifytheeffectivenessoftwo-phasesoftstartmethod.Keywords:bi-directionalconverter，fuelcell，battery，softstart，doublessourcesapplication。1.引言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[1~5]。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。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[7][8]。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*本文工作得到教育部新世纪优秀人才计划资助。ThisworkwassupportedbytheProgramforNewCenturyExcellentTalentsinUniversity,China.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１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双向变换器两段式软起动方法。2.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Forward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(ContinuousCurrentMode,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(DiscontinuousCurrentMode,DCM)。加入被控管驱动信号后燃料电池单向DC-DC变换器双向DC-DC变换器逆变器负载蓄电池200-400VDC360VDC220VDC220VAC图1.燃料电池供电系统Fig.1FuelcellpowersystemABLf+-+-CHQ2Q1CLVHVLiLf+-tiLfQ2VH-VLVLvLf0Q2Q2Q1Q1Q1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.2Buck-BoostBi-directionalConverterFig.3Inverseinductorcurrentintraditionalsoftstart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４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。4.两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t0＋td时刻电流源IS2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iLfQ1Q2t1图4.被控管延时驱动仿真Fig.4Passivedrivedelaymethodsimulatingwaveform以从DCM平滑转换到CCM。t3时刻以后，随着DSS增大至“１”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“１”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，因此可PWMCompE/AVrefVfVRAMP1AB2+-SRVEA_VoCS1VS1CompAVRAMP2被控管软起动电路+-CS2SRVS2Q1(主控管)Q2(被控管)主控管软起动电路DSSIS1IS2Comp1E/AVrefVfVRAMP1AComp2AVRAMP2DSSB1B2Q1(主控管)辅助软起动电路输出闭环调节电路+-+-+-ISCSSSRSRQ2(被控管)VSSVEA_Vo(a)控制框图(a)控制框图VRAMP2VRAMP1DSSQ1B2Q2VS2tttttttt2t1tA0000000t0Q10t3t0+tdVRAMP2VRAMP1DSSB1B2Q1Q2VEA_VoVSStttttttt0t2t1t3tA00000000(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.5Two-phasesoftstartmethod1Fig.6Two-pha