低压大电流双向AC-DC变换器的控制策略研究.pdf

哈尔滨工业大学硕士学位论文

摘要

搭载低压电池的车辆用电需求与日俱增，为提高车辆供电系统的可靠性和

实用性，目前在汽车配置中正致力于引入储能电池，开发更节能、更稳定的车

载电源系统。双向AC-DC变换器应用于低压大电流场合时，存在电流不易检

测、均流控制实现困难和损耗较高等问题，限制了功率等级和效率。本文以低

压双向AC-DC变换器为研究对象，研究两级电路的工作原理与控制策略，提出

了适应于大电流场合的控制策略，通过仿真和实验验证所提出控制策略的正确

性。

为提高交流侧电能质量，研究了图腾柱PFC的工作原理及其平均电流控制

策略。采用状态空间平均法建立了图腾柱无桥PFC小信号模型，采用3p2z校

正了控制器的电流环路，设计了PI补偿器校正电压环路；为降低变换器电源调

整率，并提高动态性能，研究了基于电压前馈和占空比前馈的双环前馈方法。

仿真结果表明，图腾柱无桥PFC在满载切半载时的环路响应时间小于0.05s，电

源调整率0.49%，功率因数可达1.0。

为提高LLC谐振变换器应用于低压大电流场合的性能，研究了变换器时域

模型、同步整流数字控制策略、均流控制策略和低压侧开关管尖峰电压抑制方

法。分析了二次侧开关管结电容对LLC谐振变换器的工作模态影响，推导了

LLC谐振变换器各工作模态的电流电压时域函数；提出了一种同步整流数字控

制策略，根据时域分析三阶近似拟合的结果，实现了基于DSP的同步管开通与

关断时刻的实时运算；为提高同步整流控制性能，研究了变换器的最优死区时

间范围，保证其软开关实现；针对两相输出电流不均的问题，研究了基于虚拟

阻抗的变换器输出均流方法；为提高铅酸蓄电池充电控制环路性能，建立了半

桥LLC谐振变换器小信号模型，采用2p2z法设计了电压环路补偿器。为降低

LLC谐振变换器反向工作时的低压侧开关管电压尖峰，提出了基于负载匹配的

低压侧开关管电压尖峰抑制控制策略。建立了考虑寄生参数的LLC谐振变换器

模型，研究了其电压尖峰产生机理；推导了变换器工作频率与输出功率的定量

关系。仿真结果表明，时域模型拟合精度高，同步整流管通断时刻准确，引入

均流控制后，变换器的两相电流不均衡度低于6.7%，所提出的反向控制策略可

将尖峰电压自100V降低至30V以内。

为验证低压大电流双向AC-DC的控制策略的准确性，设计并搭建了其实验

平台。设计了整机的启动和模式切换控制程序，测试了图腾柱PFC平均电流控

制策略，双向LLC谐振变换器同步整流和两相均流控制策略的性能。实验结果

-I-

哈尔滨工业大学硕士学位论文

表明，双向AC-DC变换器的样机正向效率90%，反向效率82%，可以实现双向

工作识别与切换。本文所研究的双向AC-DC变换器具有较高的工作效率，实现

了车载低压电池与电网或交流负载间能量的双向流动，满足了车载低压电池的

用电需求。

关键词：双向LLC谐振变换器；平均电流法；谐振变换器时域分析；数字同步

整流；虚拟阻抗均流法；

-II-

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Abstract

Inordertoimprovethereliabilityandpracticabilityofthevehiclepowersupply

system,energystoragebatteriesarebeingintroducedintothevehicleconfiguration

todevelopamoreenergyefficientandstableon-boardpowersystem.Whenthe

bidirectionalAC-DCconverter