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。