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摘 要: 針對典型的半橋式雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn),利用DCM模式下電感電流反向的特征,采用一種不額外添加半導(dǎo)體器件的軟開關(guān)技術(shù),減小開關(guān)損耗;采用多重化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)彌補(bǔ)DCM模式下電壓、電流紋波大的缺陷;在控制方式上采用電壓電流雙閉環(huán)形式,將共用電壓環(huán)的輸出作為每個(gè)基本單元的給定電流,解決了并聯(lián)結(jié)構(gòu)的均流問題。
關(guān)鍵詞: 雙向DC/DC變換器;軟開關(guān);非連續(xù)導(dǎo)電模式;雙閉環(huán);開關(guān)損耗

電動(dòng)汽車在運(yùn)行過程中,頻繁地加速減速、起動(dòng)制動(dòng),需要利用雙向DC/DC變換器將電池的電壓升高以獲得穩(wěn)定的直流母線電壓。另外,在電動(dòng)汽車制動(dòng)時(shí),需要通過雙向DC/DC變換器將能量回饋到電池,使其效率提高。
參考文獻(xiàn)[1]通過對比幾種典型雙向DC/DC變換器發(fā)現(xiàn),在相同條件下半橋型雙向DC/DC變換器電路元件所承受的電壓電流應(yīng)力較小?;景霕蛐屯?fù)浣Y(jié)構(gòu)運(yùn)用在大功率負(fù)載時(shí),所需開關(guān)器件等級仍然較高、電感較大、體積龐大、能量密度較低。為了減小變換器體積,增大功率等級,參考文獻(xiàn)[2-3]采用多重化半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),降低了開關(guān)管功率等級,減小所用電感和電壓電流紋波,但開關(guān)損耗問題仍有待解決。參考文獻(xiàn)[4]采用一個(gè)震蕩電感加二重雙向DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),運(yùn)用軟開關(guān)技術(shù)提高效率,但增加了一個(gè)電感元件和兩個(gè)開關(guān),導(dǎo)致成本增加。
為獲得較高的功率密度,可將變換器設(shè)計(jì)在非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM),但其紋波較大,故采用多重化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以彌補(bǔ)其缺陷,由此所需電感進(jìn)一步減小[3]。另外,在DCM模式下,主開關(guān)關(guān)斷的頻率是其負(fù)載電流頻率的兩倍,開關(guān)的關(guān)斷損耗增大,DCM模式使得變換器效率降低[5]。本文采用一種控制型軟開關(guān)技術(shù)[6],不需要額外增加半導(dǎo)體器件,通過合理控制實(shí)現(xiàn)軟開關(guān),從而減小了開關(guān)損耗,提高了變換器效率。
1 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略
1.1 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理
本文采用的三重交錯(cuò)式雙向DC/DC變換器由三個(gè)典型半橋式雙向DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)交錯(cuò)并聯(lián)而成,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

三個(gè)基本半橋的導(dǎo)通時(shí)間依次互錯(cuò)1/3周期,且在每個(gè)周期導(dǎo)通時(shí)間相同,因此電感電流也依次互錯(cuò)1/3周期,從而減小總電流的紋波。
當(dāng)正向運(yùn)行,即升壓運(yùn)行時(shí),下部開關(guān)Sd1、Sd2、Sd3處于斬波狀態(tài),為主開關(guān),上部開關(guān)Su1、Su2、Su3與同臂下部開關(guān)互補(bǔ),為輔助開關(guān)。當(dāng)反向運(yùn)行,即降壓運(yùn)行時(shí),上部開關(guān)與下部開關(guān)主輔職能調(diào)換。
為了達(dá)到軟開關(guān)目的,在實(shí)際運(yùn)行中上下開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號加入的死區(qū)時(shí)間,利用電感電流恒流源作用,使上下開關(guān)各自并聯(lián)的小電容能量在死區(qū)時(shí)間內(nèi)得以交換,從而達(dá)到ZCS和ZVS。下面僅以單重半橋型雙向DC/DC變換器拓?fù)浼右哉f明。
圖1中,iL1為電感L1的電流,規(guī)定如圖1中方向?yàn)檎较?;Co為濾波電容;FWDu1及FWDd1分別為開關(guān)Su1和Sd1反向并聯(lián)的二極管;Cu1、Cd1為兩開關(guān)并聯(lián)的小電容。低壓側(cè)Vin由蓄電池或超級電容供電,高壓側(cè)Vo接電機(jī)等負(fù)載。當(dāng)電機(jī)正向運(yùn)行時(shí),Sd1為斬波開關(guān),Su1為輔助開關(guān),能量由低壓側(cè)Vin流向高壓側(cè)Vo;當(dāng)電機(jī)發(fā)生制動(dòng)時(shí),能量反向流動(dòng),上、下開關(guān)職能調(diào)換?,F(xiàn)僅以boost工作模式加以說明。圖2所示為升壓模式下6個(gè)工作模態(tài)的關(guān)鍵波形。

模式1(T0≤t<T1)
由于變換器工作在DCM狀態(tài),電感L1較小,在T0時(shí)刻,iL1達(dá)到負(fù)向最小值iL1(T0),二極管FWDd1 ZVS導(dǎo)通。電感電流線性增加,此狀態(tài)以開關(guān)Sd1獲得導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)信號為止。

二極管FWDd1自然導(dǎo)通,開關(guān)Sd1擁有導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)信號,但由于電感電流iL1仍為負(fù),開關(guān)Sd1未導(dǎo)通,此狀態(tài)以電感電流iL1上升至零截止。

1.2 變換器的控制策略
本文采用電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié),可穩(wěn)定直流母線電壓,即DC/DC變換器高壓側(cè)電壓,使其不隨蓄電池電壓變化而變化;此外,在負(fù)載變化時(shí),保證了直流母線電壓在較快時(shí)間內(nèi)得以穩(wěn)定。
采用電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié),可以將電動(dòng)汽車制動(dòng)剎車時(shí)直流母線側(cè)能量以可控的方式對蓄電池組進(jìn)行充電;另一方面,共用一個(gè)電壓外環(huán),保證并聯(lián)各個(gè)基本變換器電應(yīng)力和熱應(yīng)力的均勻合理分配,以實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)中各基本變換器自動(dòng)平衡均流[7]。本文采用雙閉環(huán)控制方式,如圖3所示。

為了使多重式結(jié)構(gòu)變換器的每個(gè)基本單元在其他單元發(fā)生故障時(shí)仍能繼續(xù)獨(dú)立工作,每個(gè)基本單元變換器擁有獨(dú)立的PWM發(fā)生模塊。
2 軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)條件
本文利用DCM運(yùn)行下電感電流反向和互補(bǔ)開關(guān),沒有額外的半導(dǎo)體器件。變換器電感與開關(guān)的并聯(lián)小電容在死區(qū)時(shí)間內(nèi)相互配合,使兩電容能量相互交換,以達(dá)到軟開關(guān)目的。
若使變換器在boost模式與buck模式均達(dá)到軟開關(guān)目的,首先應(yīng)滿足DCM運(yùn)行基本條件;另外,在死區(qū)時(shí)間內(nèi),電感電流要具有抽取電容電能,以使兩電容能量可以交換。以boost模式為例,DCM模式運(yùn)行基本條件:

由式(2)、(3)得知,在兩個(gè)死區(qū)時(shí)間相同情況下,只需滿足反向電感電流的軟開關(guān)條件,正向電感電流的軟開關(guān)條件也會得到滿足。
由式(3)得知,在不同負(fù)載下,電感L的平均值IL不同,因此反向電感電流峰值也不同。為使變換器在不同功率下設(shè)置的死區(qū)時(shí)間不變,且均可達(dá)到軟開關(guān)目的,在電感電流平均值最大時(shí)Imax L(即滿負(fù)載),得出的電感電流反向最大值I-max即為在不同功率下的最小值。若死區(qū)時(shí)間滿足滿負(fù)載下的軟開關(guān)條件,則一定滿足不同功率下軟開關(guān)的條件。
3 仿真驗(yàn)證
針對電動(dòng)汽車在運(yùn)行過程中駕駛員的頻繁加速、減速及起動(dòng)、制動(dòng)等操作,為了驗(yàn)證上述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性,進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,所用參數(shù)如表1所示。

(1)變換器在t=0.025 s時(shí),負(fù)載功率由2P/3突變?yōu)闈M負(fù)載P,模擬電動(dòng)汽車加速運(yùn)行。當(dāng)t=0.15 s時(shí),電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)t=0.025 s時(shí),電壓因負(fù)載突變;而t=0.007 5 s時(shí),很短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)給定電壓,電流也快速達(dá)到另一穩(wěn)態(tài)。本文電流內(nèi)環(huán)采用三個(gè)獨(dú)立的PWM發(fā)生器,具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
(2)變換器升壓工作時(shí),以第三個(gè)基本單元為例,在負(fù)載功率為2P/3下主開關(guān)Sd3,輔助開關(guān)Su3,及各自并聯(lián)二極管FWDd3、FWDu3的仿真波形及電感電流波形如圖4所示。采用此種控制性軟開關(guān)技術(shù),使主開關(guān)、輔助開關(guān)以及兩并聯(lián)二極管在不同負(fù)載下其電壓、電流錯(cuò)位,即均可達(dá)到軟開關(guān)效果。采用三重交錯(cuò)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),電感電流紋波減小到原來的三分之一,有效彌補(bǔ)了DCM運(yùn)行模式紋波大的缺陷。

本文采用多重半橋式雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),利用DCM模式下電感電流反向的特點(diǎn),以反方向運(yùn)行時(shí)主開關(guān)為輔助開關(guān),沒有額外添加半導(dǎo)體器件。實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)的零電壓開通和零電流關(guān)斷,輔助開關(guān)的零電壓開通、零電流關(guān)斷,以及主開關(guān)與輔助開關(guān)并聯(lián)二極管的零電壓導(dǎo)通、零電流關(guān)斷,提高了整體變換器效率。使得多重交錯(cuò)式結(jié)構(gòu)有效減小了電感電流紋波。在控制方式上采用共用一個(gè)電壓環(huán),即共用一個(gè)電感電流參考值,解決了并聯(lián)結(jié)構(gòu)的均流問題,三個(gè)獨(dú)立的電流內(nèi)環(huán)加快了變換器的響應(yīng)速度、提高了安全性。本文分析了此變換器的工作原理、控制策略,并對其進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了理論分析的正確性與可行性。
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