多通道雙向DC/DC變換器的研究
摘要:提出一種適合于混合動(dòng)力系統(tǒng)的多通道雙向DC/DC變換器,該變換器簡化了包含多個(gè)儲(chǔ)能器件的混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu),在負(fù)載不工作時(shí)可利用太陽能為儲(chǔ)能器件充電。運(yùn)用同步整流技術(shù),減小變換器工作過程中的通態(tài)損耗,確保變換器具有較高的工作效率。詳細(xì)分析了該變換器在各個(gè)工作狀態(tài)下能量轉(zhuǎn)移的路徑,并通過一臺(tái)50 W樣機(jī)驗(yàn)證了原理的正確性。
關(guān)鍵詞:變換器;多通道;同步整流
1 引言
近年來,環(huán)境和能源問題成為世界各國關(guān)心的熱點(diǎn)問題。隨著環(huán)境污染和能源危機(jī)的加重,可大幅度降低油耗、減少污染的混合動(dòng)力系統(tǒng),已經(jīng)成為新型動(dòng)力汽車領(lǐng)域的重要研究方向。在混合動(dòng)力系統(tǒng)中,雙向DC/DC變換器是能量流動(dòng)的重要環(huán)節(jié)。應(yīng)用于該系統(tǒng)的傳統(tǒng)雙向DC/DC變換器是單通道的,往往需要多個(gè)雙向DC/DC變換器才能實(shí)現(xiàn)蓄電池、超級(jí)電容器等多個(gè)儲(chǔ)能器件與直流母線連接,這必然增加電感和開關(guān)管的數(shù)量。能量在多個(gè)儲(chǔ)能器件和直流母線間傳遞時(shí),需要各個(gè)雙向DC/DC變換器按照一定邏輯順序進(jìn)行工作,這樣就需要多路控制信號(hào),所以這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制方法非常復(fù)雜。
這里提出一種多通道雙向DC/DC變換器,該變換器不僅簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),還可利用太陽能在負(fù)載不工作時(shí)為系統(tǒng)中的儲(chǔ)能器件充電。用功率MOSFET代替二極管,實(shí)現(xiàn)了能量僅需通過一個(gè)雙向DC/DC變換器就可在多個(gè)儲(chǔ)能器件與直流母線之間傳遞的功能。
2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理
圖1示出多通道DC/DC變換器。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本質(zhì)上是一個(gè)雙向Buck-Boost電路。VQ1,VQ3和VQ5分別控制能量是否可以通過超級(jí)電容器(S-C)通道、DC Bus通道和蓄電池(VRLA)通道。VQ6,VQ7組成一個(gè)雙向開關(guān)。其中僅有VQ2或VQ4工作于PWM模式,其他各開關(guān)管多工作于常開或常閉狀態(tài),相互配合來控制能量在各通道間的流動(dòng)。
儲(chǔ)能器件向直流母線端傳遞能量時(shí),電路正向工作于Boost狀態(tài)。VQ4為主開關(guān),工作于PWM模式。分別給VQ1,VQ5施加開通信號(hào),使VQ1,VQ5工作于反向?qū)顟B(tài),VQ2工作于同步整流狀態(tài),VQ3保持導(dǎo)通。此時(shí),若VQ7導(dǎo)通,電流會(huì)流入PV通道,直流母線將不能獲得最大功率,而且將損壞光伏電池;若VQ6導(dǎo)通,則會(huì)有電流從PV通道流出,干擾正常的功率傳輸,所以VQ6,VQ7組成的雙向開關(guān)要處于關(guān)斷狀態(tài),以避免上述這兩種不允許狀態(tài)的出現(xiàn)。此時(shí)等效電路如圖2所示。
電路反向工作于Buck狀態(tài)時(shí),即儲(chǔ)能器件處于充電狀態(tài)。此時(shí)VQ2為主開關(guān),工作于PWM模式。若負(fù)載處于工作狀態(tài),則能量從直流母線端回饋,給VQ3施加占空比為1的觸發(fā)信號(hào),使其工作于反向?qū)顟B(tài)。VQ4工作于同步整流狀態(tài)。
通過判斷S-C通道是否充滿,來決定對(duì)VQ1的控制。若未充滿,則使VQ1導(dǎo)通,VQ5關(guān)斷,能量可從直流母線方向回饋到S-C通道;若已經(jīng)充滿,則關(guān)斷VQ1,打開VQ5,能量從直流母線方向回饋到VRLA通道中。若儲(chǔ)能器件都已充滿,則繼續(xù)維持VQ1關(guān)斷,VQ5導(dǎo)通,使VRLA處于浮充狀態(tài)。VQ6,VQ7仍然保持關(guān)斷,以避免出現(xiàn)之前提到的不允許狀態(tài)。此時(shí)等效電路如圖3所示。
若負(fù)載未處于工作狀態(tài),直流母線側(cè)已經(jīng)停止向儲(chǔ)能器件回饋能量,則VQ3關(guān)斷,VQ6正向?qū)ǎ琕Q7反向?qū)?,能量從PV通道流向儲(chǔ)能器件。其他各個(gè)開關(guān)管工作情況與系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)相同。此時(shí)通過光伏電池給儲(chǔ)能器件充電,利用清潔能源的同時(shí),保證了儲(chǔ)能器件不會(huì)斷電。光照不足時(shí),需負(fù)載繼續(xù)工作為儲(chǔ)能器件充電。此時(shí)等效電路如圖4所示。
3 多通道雙向DC/DC變換器調(diào)制策略
同步整流技術(shù)是一種減小DC/DC轉(zhuǎn)換器導(dǎo)通損耗的新技術(shù)。它采用通態(tài)電阻極低的功率MOSFET取代整流二極管,在大電流情況下,可大幅度降低開關(guān)管損耗。功率管作為同步整流管時(shí),與作為開關(guān)管使用時(shí)完全不同,同步整流管是將功率管漏極和源極反接,因其反向?qū)ㄗ杩沟?,在?dǎo)通時(shí),相當(dāng)于將其體二極管短路,所以減小了變換器的導(dǎo)通損耗。通常功率MOSFET被當(dāng)作開關(guān)使用,所以反向?qū)ǖ奶匦院苌俦焕谩?/p>
變換器中每個(gè)通道的入口都有一個(gè)開關(guān)管用于控制能量是否可以通過此通道。若需能量流入該通道,則使開關(guān)管處于正向?qū)顟B(tài);若需能量流出,則使開關(guān)管處于反向?qū)顟B(tài)。此時(shí)工作原理與同步整流類似,是利用同步整流管導(dǎo)通阻抗低的特性來取代P-N結(jié)上的壓降,使部分功率MOSFET工作于反向常通或正向關(guān)斷狀態(tài),通過多個(gè)功率MOSFET的不同工作狀態(tài)相互配合來控制能量的流動(dòng)方向。
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在正向Boost電路中,若變換器處于電感電流連續(xù)條件下,假設(shè)變換器損耗為零,輸出電壓平均值表達(dá)式為:
Uo=Uin/(1-D) (1)
由定義可知,占空比D≤1,D=Ton/(Ton+Toff)。所以Boost電路不同于Buck電路,D不能等于1。在反向Buck電路中,電感電流處于連續(xù)工作模式下輸出電壓表達(dá)式為:
Uo=DUin (2)
式(2)中占空比的選取沒有特殊限制。在Buck電路中電感在VQ2導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)能,在開關(guān)管截止期間通過同步整流管形成釋放回路。Boost電路工作過程中輸出需接負(fù)載,否則電感的儲(chǔ)能就不能消耗掉,會(huì)引起輸出電壓升高,這也是不同于Buck電路的地方。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)上述分析,為驗(yàn)證原理的可行性,在實(shí)驗(yàn)室制作了一臺(tái)50 W實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。開關(guān)管選用IRF540N,其導(dǎo)通電阻為44 mΩ。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:穩(wěn)壓源輸出直流電壓范圍0~30 V,負(fù)載電壓范圍0~50 V,最大功率50 W,開關(guān)頻率20kHz。
將驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比取為0.4,為保留同步整流信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)的死區(qū)時(shí)間,同步整流信號(hào)占空比也取為0.4。驅(qū)動(dòng)波形如圖5a所示。
系統(tǒng)正向工作在Boost狀態(tài)下時(shí),若輸入電壓為30 V,負(fù)載為50 Ω。此時(shí)輸入電流為1.7 A,負(fù)載電壓值為49 V,算得電路效率約為94.2%。負(fù)載上輸出電壓波形如圖5b所示。電感電流處于連續(xù)狀態(tài),其波形如圖5c所示。系統(tǒng)反向工作在Buck狀態(tài)下時(shí),若輸入電壓為30 V,負(fù)載為50 Ω。此時(shí)輸入電流為0.1 A,負(fù)載電壓12 V,算得效率約為96%。負(fù)載輸出電壓波形如圖5d(上)所示。電感電流處于連續(xù)狀態(tài),其波形如圖5d(下)所示。
5 結(jié)論
通過對(duì)傳統(tǒng)混合動(dòng)力系統(tǒng)中雙向DC/DC變換器結(jié)構(gòu)的改進(jìn),這里介紹了一種多通道的雙向DC/DC變換器。分析了運(yùn)行原理和控制策略,通過實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證其可行性。該變換器能同時(shí)連接多個(gè)儲(chǔ)能器件和直流母線,簡化了傳統(tǒng)系統(tǒng)中應(yīng)用多個(gè)雙向DC/DC變換器連接儲(chǔ)能器件和直流母線的結(jié)構(gòu)。運(yùn)用同步整流原理并將其推廣,利用各個(gè)開關(guān)管不同狀態(tài)互相配合,控制能量在變換器中流動(dòng)方向。在簡化結(jié)構(gòu)的同時(shí)保證了系統(tǒng)效率。