双向DC-DC变换器在燃料电池能量管理中的应用

四、双向全桥DC/DC变换器的系统设计

该变换器的系统结构框图如图4.1所示，该结构可以看成一个闭环系统，基本结构包括：高频整流/逆变单元、隔离变压器、保护电路、驱动电路、采样电路、控制电路。

4.2 主电路参数设计 电路参数见概述部分； 4.2.1 主变压器的设计

变压器的设计主要包括：磁心选择、匝数计算等。

该全桥直流变换器的两个半周期的工作都用同一个原边绕组，磁心和绕组使用率都很高。为了减少磁化电流，最好原边绕组匝数多些，电感量大些。因此选择高磁合金材料的磁心比较合适，而且磁心不带气隙。具体设计步骤如下：

①磁心选择

根据放电功率、效率，确定变压器输入、输出功率。计算式如下：

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双向DC-DC变换器在燃料电池能量管理中的应用

根据输入功率确定合适的磁心型号。再由磁心型号得到变压器在开关频率为

20kHz时的最佳磁感应强度B。则磁感应强度的变化量为?B=2B。

②原边线圈匝数的计算 原边线圈匝数计算式如下：

其中: V1—原边线圈所加直流电压，在有波动时取最小值（V）；

ton—最大导通时间（sμ）； ?B—总磁感应强度变化量（T）； Ae—磁心有效面积（2mm）。

③原副边匝数比n的计算 原副边匝数比按如下公式计算：

为了保证整个电压输入范围内变换器都能输出额定的电压，式(4-3)中输入电压1V用的其最小值V1(min)，VSW是原边开关管的导通压将，D(max)p为原边最大占空比，一般取0.45，Dsec(max)为副边最大占空比，取0.4，V2(max)为输出电压最大值，VL为电感上的电压损失，VSR为副边整流二极管上的压降，VR为线路压降。

④副边匝数的计算 副边匝数的计算如下：

根据式(4-2)和式(4-3)计算的原边匝数1N和原副边匝数比n，再由式(4-4)可以确定副边匝数N2。

实验时变压器参数为：N1=36，N2=12，n=3;

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双向DC-DC变换器在燃料电池能量管理中的应用

放电模式电感电流连续工作主要波形如图2.5(b)和图4.2所示，假设电感Lf

工作在连续状态。图4.2中，半个周期T/2内，Q5～Q8四个开关管同时导通的时间为(1-D)T/2，在此期间，电感Lf储能，电感Lf电流iLf 线性上升，其增量为：

对管Q 5、Q8（或 Q6、Q7）导通的时间为T/2D，电感Lf传递能量，电流iLf线性下降，其变化量为 ：

由于稳态时这两个变化量相等，则 ：

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化简得稳态电压增益为

由输出功率与输入功率相等，得：

当电感Lf较小，或负载电阻较大，或T较大时，iLfmin会为零，即电感Lf工作在临界连续状态，此时，电感值为临界电感LC。电池放电电流I2与电感电流iLf存在以下关系：

则，将式（4-5）、（4-7）、（4-8）代入上式，得临界电感Lc计算式如下：

4..2.2电感Lf的选取

本文研究的双向DC/DC直流变换器，放电工作时，电池电压变化范围为 15~24V，负载功率为72W，开关频率f=10kHz，电感电流iLf工作连续状态。考虑电池最低时的情况，则：

=0.6*15/24=0.375

由式(4-9)求临界电感：

=2mH

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