双向全桥DC-DC变换器在船舶应急电源中的应用

引言

随着新能源产业的发展，双向DC － DC 变换器近年来得到了较多的关注和研究。双向DC － DC 变换器由于其电路拓扑的优越性，不仅可以进行能量的双向流动，而且具有效率高、体积小和稳定性强的优点。凭借着这些优点，双向DC － DC 变换器在多个领域得到了广泛的应用，尤其是在应急电源、航空太阳能、电动汽车供电系统等领域得到越来越多的应用。

船舶作为重要的海上交通运输工具，航行条件相对比较恶劣，经常遭遇电力系统故障，为了保证其在供电系统发生故障时，仍然能够正常工作，一般都为船舶额外配备了应急电源装置。一旦船舶发生故障，导致船舶电力系统失灵，应急电源将提供短时的电力供应，以保障船舶的安全运行以及工作人员的人身安全。

本文对船舶应急电源展开研究，以双向DC －DC 全桥变换器作为主拓扑，设计一种适用于船舶的应急电源，实现了较好的效果。

1 船舶应急电源

船舶应急电源系统是船舶供电系统中的一个关键部分，主要功能是在主电源由于客观原因不能供电时，向船舶上的一些应急负载供电。按照功率大小，船舶应急电源可分为大的发电机组应急电源和小的蓄电池组备用应急电源，本文所研究的应急电源是蓄电池应急电源。

基于双向DC － DC 变换器的船舶应急电源系统框图如图1 所示，大的应急电源由应急发电机、AC/DC变换器和负载组成; 小的应急电源由应急蓄电池组、双向DC － DC 变换器和应急负载组成。

2 双向DC － DC 变换器

船舶电源系统中的双向DC － DC 变换器，是一种能量能够双向流动、电压极性不变的直流转直流变换器，其结构如图2 所示。

U1和U2是双向DC － DC 变换器的2 个端，2 端极性相同，都是上正下负，I1、I2分别为U1和U2端的输入电流。变换器可以实现能量的双向传输: 当能量从U1传递到U2端时，能量为正向传输，电流方向为I1 ＜ 0，I2 ＞ 0; 当能量从U2传递到U1端时，能量为正反向传输，电流方向为I1 ＞ 0，I2 ＜ 0。

双向DC － DC 变换器根据其的工作象限，可以分为电压型和电流型，以及四象限双向变换器。双向DC － DC 变换器根据U1和U2两端是否有隔离，可以分为隔离型和非隔离型2 种。非隔离线双向变换器一般是通过在单项变换器中的二极管两端反并联开关管或是在开关管两端反并联二极管来实现能量的双向传输。隔离型双向DC － DC 变换器是在两个端口加上了变压器等隔离器件，通过磁耦合，实现了输入输出的电气隔离，提高了系统的安全性。

3 双向全桥DCDC 变换器

3. 1 电路拓扑

本文船舶应急电源中的双向DC － DC 变换器采用的是隔离型双向全桥DC － DC 变换器。该变换器为双向DC － DC 变换器中常用的一种电路拓扑，原副边都采用全桥结构，中间通过变压器进行隔离的双向DC － DC 变换器。全桥双向DC － DC 变换器与其他拓扑相比，开关管的应力较小，可以进行较大功率的传输，适用于船舶应急电源的应用场合。

隔离型的双向全桥DC － DC 变换器的拓扑结构如图3 所示。变换器由左右2 个全桥、变压器、谐振电感等组成。其中Vln和Vbat为变换器的2 个端口，左侧直流母线侧为电压型全桥结构，右侧电池组侧为电流型全桥结构，直流母线与电池组之间可以实现能量的双向流动，进行充电和放电。Lr1、Lr2分别为原副边的变压器等效漏感与外部串联电感之和，C1是滤波稳压电容，L2在充电模式时充当滤波电感的作用，在放电模式时充当储能电感的作用。

由于双向DC － DC 变换器含有8 个开关管，开关管的开关损耗需要引起格外的注意，不然变换器的效率将受较大影响。变换器中的Lr1、Lr2与开关管的寄生电容构成谐振回路，为开关管的零电压开关创造条件，实现开关器件的ZVS 软开关，从而可以有效减小变换器的开关损耗，降低开关噪声，提高EMI 性能，为变换器提升开关频率、提高工作效率、减小尺寸创造了条件。

3. 2 工作原理

双向DC － DC 变换器有充电模式和放电模式2种工作模式。其工作原理是: 当供电正常时，发电机发出的交流电经AC － DC 变换器转变为直流母线电压，为负载供电，同时经过双向DC － DC 变换器，为电池组充电，直至充满，当充满电时，双向DC －DC 停止工作，不再进行功率转换; 当船舶遇到故障，正常供电系统不能提供电能时，蓄电池将通过双向DC － DC 变换器，将电池组中存储的电压转变为直流母线电压，通过直流母线给应急负载供电，满足负载的应急用电需求。

传统的应急电源，直接在直流母线上并接备用蓄电池，蓄电池一直处于充电和放电状态。本文通过双向DC － DC 变换器可以实现以下优点: 通过变换器可以维持船舶直流母线电压的恒定，而不被电池组电压所影响; 通过变换器可以对蓄电池进行灵活有效的充放电管理，从而可优化电池的使用方式，提高电池组的使用寿命。

3. 3 控制策略

为提高变换器的性能，采用DSP 作为变换器的主控芯片，充分利用DSP 在数字信号处理方面以及开关器件驱动方面所具有的优势

在开关管的控制方面，采用移相PWM 控制策略，以图3 中左边的全桥为例，通过DSP 控制Q1与Q4管之间的驱动信号，让两个开关管的驱动信号之间固定的移相角α，在驱动信号的驱动下，Q1和Q4就会先后导通。

假设变换器左边全桥相对于右边全桥的移相角为，定义

则双向全桥DC － DC 变换器的输出电压的数学公式为:

式中: P 为变换器的输出功率; Vin 为变换器的输入电压; L 为电感值; T 为工作周期。由公式可看出，双向全桥DCDC 变换器的输出电压和多个因素有关，而不只是与输入电压和占空比有关。

由式( 2) 可推导出变换器的输出功率的公式为:

由式( 3) 可看出，功率传输的方向与移相角有关，移相角为正时，左边全桥领先于右边全桥一个角度，能量由左边传向右边，为充电模式，反之为放电模式。传输功率的大小也与移相角呈正相关关系，移相角越大，变换器所能传输的功率就越大。变换器通过DSP 对移相角进行闭环调节，可以在额定功率下，得到理想的输出电压。

4 实验验证

在充分利用实验室的条件下，搭建双向全桥DC－ DC 变换器的实验平台，以直流电源和铅酸蓄电池作为变换器的2 个端。对一些主要的参数进行测量，对一些重要的波形进行测试和分析，以验证变换器的工作性能。

图4 为在充电模式下，额定功率3 kW 时，工作频率为100 kHz，采用移相PWM 控制策略时测量的实验波形。

其中通道1 和通道2 分别为变换器的电感电流波形、电感两端电压波形，由图可以发现，采用移相PWM 控制策略，可以较好的传输功率，同时波形很干净，没有较大的毛刺，说明变换器的EMI 性能较好。变换器采用的是完全对称器件，在放电模式下的波形和充电模式下的主要波形，并无较大不同。

另外，对变换器的软开关特性进行了测量，变换器的开关器件均实现了ZVS 软开关，整机效率达到了96%。

5 结语

随着新能源产业的发展，双向DC － DC 变换器得到了越来越多的应用和研究。本文在研究船舶应急电源的基础上，对其中的DC － DC 变换器进行优化设计，选择将双向全桥DC － DC 变换器应用于船舶应急电源系统中，实现灵活的充放电控制。本文对变换器的拓扑结构、工作原理和控制策略进行了分析和研究，为了充分验证双向全桥DC － DC 变换器的性能，搭建了原理样机，并对主要的参数和波形进行了测试，取得了预期的效果，验证了双向全桥DC － DC 变换器在船舶应急电源中应用的可行性。