一種新型零電壓切換雙向DC/DC變換器的設(shè)計(jì)與仿真

甘家梁 熊曾剛 劉桂濤 萬(wàn)興

摘 ?要： 由于電動(dòng)汽車電源變換器在行駛過(guò)程中，電機(jī)的調(diào)速范圍很寬，加減速頻繁，因此對(duì)電源變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，續(xù)航能力提出了更高的要求。但汽車電源存在低電壓大電流、[didt]和[dudt]較大、轉(zhuǎn)換效率低和電磁干擾嚴(yán)重等問(wèn)題。為此，設(shè)計(jì)一種新型的具有升壓?降壓功能的零電壓轉(zhuǎn)換雙向DC?DC變換器。在傳統(tǒng)的升降壓變換器的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加兩個(gè)輔助開(kāi)關(guān)器件和一個(gè)LC諧振電路，構(gòu)成一個(gè)H?軟開(kāi)關(guān)控制轉(zhuǎn)換電路，產(chǎn)生的有源鉗位電壓加載到主開(kāi)關(guān)兩端，實(shí)現(xiàn)電路零電壓轉(zhuǎn)換。在Matlab環(huán)境下，對(duì)所提出的電路進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的電路能降低開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通損耗，提高電源的效率，并在6 kW雙向升降壓變換器樣機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞： 電動(dòng)汽車; 電源變換器; 零電壓切換; DC?DC變換器; 諧振電路; 有源鉗位電壓

中圖分類號(hào)： TN86?34; TM46 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）10?0092?05

Design and simulation of a novel bidirectional DC/DC converter with

zero voltage transition function

GAN Jialiang， XIONG Cenggang， LIU Guitao， WAN Xing

（School of Computer and Information Science， Hubei Engineering University， Xiaogan 432100， China）

Abstract： Since the motor has wide speed regulation range and frequent acceleration and deceleration during the driving process of electric vehicle， it is required that the power converter should have faster dynamic response and higher cruising ability. However， the automotive power supply has the problems such as low voltage with large current， large di/dt， large du/dt， low conversion efficiency and serious electromagnetic interference. Therefore， a novel bidirectional DC/DC converter with the zero voltage transition （ZVT） and buck?boost voltage functions is designed. Two auxiliary switching devices and an LC resonance circuit are added on the basis of the conventional buck?boost voltage converter to constitute an H?soft switching control conversion circuit. The generated active?clamp voltage is loaded to the two ends of the master switch， so as to realize ZVT of the circuit. The proposed circuit was simulated in the Matlab environment. The results show that the designed circuit can reduce the conduction loss of switching devices and improve the efficiency of power supply. It was tested on the prototype of the 6 kW bidirectional buck?boost voltage converter.

Keywords： electric vehicle; power converter; zero voltage transition; DC/DC converter; resonance circuit; active?clamp voltage

0 ?引 ?言

如何提高電動(dòng)汽車蓄電池的使用壽命和效率，一直是生產(chǎn)廠家和使用者關(guān)注的問(wèn)題，也是業(yè)界研究的熱點(diǎn)。電動(dòng)汽車的啟動(dòng)、調(diào)速、上下坡制動(dòng)行駛過(guò)程是通過(guò)調(diào)節(jié)DC?DC變換器直流母線電壓實(shí)現(xiàn)的，并在電動(dòng)汽車突然制動(dòng)時(shí)將制動(dòng)能量回饋到蓄電池中，有利于電源整體效率的提高[1?3]。電動(dòng)汽車蓄電池的電壓一般較低，而汽車在行駛過(guò)程中啟動(dòng)、加減速頻繁，特別是在啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程期間，其瞬時(shí)功率可達(dá)數(shù)千瓦，這就要求電源變換器具有低電壓大電流特性，同時(shí)要求電源變換器動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，來(lái)滿足汽車頻繁啟動(dòng)的特點(diǎn)，要求電源轉(zhuǎn)換效率高，滿足電池在一個(gè)充電周期內(nèi)有更長(zhǎng)的續(xù)航能力的要求[4?5]。本文提出一個(gè)具有升壓?降壓（Buck?Boost）雙向DC?DC變換器。在傳統(tǒng)的升降壓變換器中，通過(guò)增加兩個(gè)輔助開(kāi)關(guān)器件和一個(gè)LC諧振電路，構(gòu)成一個(gè)H?軟開(kāi)關(guān)控制轉(zhuǎn)換電路，形成有源鉗位到主開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)電路零電壓轉(zhuǎn)換（Zero Voltage Transition，ZVT）[6?8]。在Matlab環(huán)境下，對(duì)所提出的電路進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的電路能降低開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通損耗，提高了電源的效率，并在6 kW雙向升降壓變換器樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

1 ?軟開(kāi)關(guān)控制DC?DC變換器電路設(shè)計(jì)與工作原理分析

考慮到電動(dòng)汽車蓄電池儲(chǔ)能體積及成本，其端電壓一般低于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作電壓，在汽車啟動(dòng)和加速時(shí)，雙向變換器具有升壓斬波能力，將蓄電池端電壓通過(guò)變換器升至驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正常工作電壓范圍內(nèi)，當(dāng)運(yùn)行在減速制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，將制動(dòng)回饋的能量通過(guò)變換器降壓電路給超級(jí)電容充電。為了降低變換器在頻繁的工作過(guò)程中，開(kāi)關(guān)電子器件的功率損耗，延長(zhǎng)電池的續(xù)航時(shí)間[9?12]。參考文獻(xiàn)[1]，在傳統(tǒng)的升降壓硬轉(zhuǎn)換電路上，增加兩個(gè)輔助開(kāi)關(guān)器件和一個(gè)LC諧振網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成一個(gè)H?軟開(kāi)關(guān)控制非隔離式升降壓DC?DC轉(zhuǎn)換電路。圖1為設(shè)計(jì)的零電壓過(guò)度雙向DC?DC變換器，其電路由輸入電感[Lin]、兩個(gè)主開(kāi)關(guān)（[S1]，[S2]），諧振電感（[Lr]）諧振電容（[Cr]），外加輔助開(kāi)關(guān)器件[Sa]和[Sb]構(gòu)成。該變換器可以工作在升壓和降壓模式，不論在升壓或降壓運(yùn)行模式，只需使用一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)（[Sa]，[Sb]）來(lái)實(shí)現(xiàn)MOSFET（[S1]，[S2]）的軟啟動(dòng)。

圖2給出了該變換器主開(kāi)關(guān)[S1]，[S2]和輔助開(kāi)關(guān)[Sa]，[Sb]控制信號(hào)的波形，工作在一周期內(nèi)的主輔開(kāi)關(guān)器件的理想的工作波形。

圖1 ?ZVT雙向升降壓DC?DC變換器原理圖

升壓和降壓模式在一個(gè)周期內(nèi)，從t0～t6分為五個(gè)工作時(shí)間段。升壓模式的電流等效電路如圖3所示，降壓模式的工作分別如圖4所示。

圖2 ?Buck（升壓）模式下電路的波形

1.1 ?升壓模式下雙向DC?DC變換器工作原理分析

諧振過(guò)程是軟開(kāi)關(guān)工作過(guò)程中最重要的部分，下面以轉(zhuǎn)換電路工作在升壓模式下，對(duì)其各時(shí)段的諧振過(guò)程進(jìn)行原理和定量分析，電路原理圖如圖1所示，結(jié)合圖2電路工作時(shí)的波形，圖3電路所示的升壓模式下各工作階段電路的工作過(guò)程中等效電流的流向。在分析過(guò)程中，假設(shè)電感L和電容C很大，可以等效為電流源和電壓源，并忽略電路中的損耗。開(kāi)關(guān)電路的工作過(guò)程是按開(kāi)關(guān)周期重復(fù)進(jìn)行的，選擇開(kāi)關(guān)S關(guān)斷時(shí)刻為起點(diǎn)，分階段分析電路的工作過(guò)程。

[t0～t1]時(shí)段：[ t0]時(shí)刻之前，開(kāi)關(guān)[S2]導(dǎo)通，[iLr=0]，[vCr=0];[t0]時(shí)刻，輔助開(kāi)關(guān)[Sb]先于主開(kāi)關(guān)[S2]導(dǎo)通，[vi]通過(guò)電感[Lin+Lr]向電容[Cr]充電，[uCr]線性上升，過(guò)后，諧振電感[Lr]和諧振電容[Cr]處于諧振狀態(tài)，[S2]兩位的電壓以正弦形式變化，從0變到最大，然后在[t1]上變?yōu)榱悖⑶抑C振電容[Cr]的電壓達(dá)到零，以實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)[S2]的軟轉(zhuǎn)向，因此[S2]的關(guān)斷損耗減小。

[t0～t2]時(shí)段：對(duì)于升壓和降壓運(yùn)行模式，其電路諧振過(guò)程的方程為：

[iLin=1Lint0t1（Vs-Vo）dt=1LinVs-Vot+IiLr=1Lrt0t1（Vo-Vs）dt=1LrVo-VstVCrt1=0，iLinti=IM，iLrt1=ILr] ? （1）

式中：[Vs]是變換器的電壓源。當(dāng)工作在升壓模式下時(shí)，[Vs]為[V1]，如圖2所示;當(dāng)工作在降壓模式下時(shí)，[Vs]為[V2]，如圖4所示;[Vo]是加載在負(fù)載上的輸出電壓，當(dāng)t=0時(shí)，i（0）=0。

[t1～t2]時(shí)段：[ t1]開(kāi)始，諧振電流通過(guò)輔助開(kāi)關(guān)[Sb]和[VD2]續(xù)流。[t2]結(jié)束時(shí)，反并聯(lián)二極管停止導(dǎo)通，其電流從負(fù)到零。在[t1～t2]時(shí)段，電源的輸出電流[iLin]，諧振回路的諧振電感[Lr]電流和諧振電容[Cr]電壓之間的關(guān)系表示為：

[iLin=1LinVst+iS1VCrt=VoiLrt2=iS1，iLrt2≈ISa] ?（2）

[t2～t3]時(shí)段：主開(kāi)關(guān)[S2]開(kāi)通，電容器[Cr]端電壓[uCr]被鉗位于零，而電流[iLr]保持不變，這種狀態(tài)一直保持在[t3]時(shí)刻，輔助開(kāi)關(guān)[Sb]關(guān)斷。在[t2～t3]期間，諧振電路中電感[Lr]和電容[Cr]的電壓和電流表示如下：

[iLin=1LinVst+iS1VCrt=0iLrt=0] ? （3）

[t3～t4]時(shí)段：[t3]時(shí)刻主開(kāi)關(guān)[S2]導(dǎo)通，其兩端電壓為0，因此沒(méi)有開(kāi)關(guān)損耗;輸入電感[Lin]的能量通過(guò)[S2]形成回路，[Cr]的電壓被充電至輸出電壓，然后分別放電至零，在[t4]時(shí)刻，主開(kāi)關(guān)自然關(guān)斷。在[t3～t4]期間，輸入電感，諧振電感電流和諧振電容（Cr）電壓表示如下：

[iLin=1LinVs-Vot+iS2VCrt=0iLrt=0] ? （4）

[t4～t5]時(shí)段：[t4]時(shí)刻，所有的開(kāi)關(guān)都處于關(guān)斷狀態(tài)，輸出功率通過(guò)[Lin]與[S1]并聯(lián)的二極管[VD1]傳輸至負(fù)載電阻[Ro]。在諧振電路工作中，諧振電容的端電壓[VCr]輸出峰值等于輸出電壓[Vo]。因此，根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)可以得到電路的阻抗、諧振頻率等技術(shù)指標(biāo)。電路的阻抗為 [Z=LrCr]，諧振角頻率為 [ω=1LrCr]，諧振頻率為 [f=ω2π]。

1.2 ?降壓模式下雙向DC?DC變換器工作原理分析

類似地，降壓模式工作過(guò)程與工作原理也與升壓模式相同。在降壓模式下，所有階段都通過(guò)開(kāi)關(guān)[S1]和[Sa]來(lái)控制。在[t0～t4]時(shí)段間，降壓模式工作過(guò)程被分成4個(gè)時(shí)段。在[t0]時(shí)刻，在開(kāi)關(guān)[S1]之前的短時(shí)間內(nèi)，輔助開(kāi)關(guān)[Sa]導(dǎo)通，以實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換。 在[t0～t3]時(shí)段內(nèi)，工作在降壓模式下的工作過(guò)程與工作在升壓模式類似。在[t2]時(shí)刻，開(kāi)關(guān)[S1]實(shí)現(xiàn)了零電壓導(dǎo)通轉(zhuǎn)換。在[t3]時(shí)刻，開(kāi)關(guān)[Sa]截止并且[S1]導(dǎo)通，則輸出功率通過(guò)[S1?Lin?R]傳輸?shù)截?fù)載，直到時(shí)間[t5]為止。在 [t5～t6]時(shí)間段內(nèi)，不會(huì)有輸出功率輸出到負(fù)載。

2 ?仿真結(jié)果

在Matlab/Simulink環(huán)境下，對(duì)所設(shè)計(jì)的軟開(kāi)關(guān)控制變換器進(jìn)行仿真。器件的參數(shù)分別為輸入電感[Lin=100 μH]，諧振電容[Cr=10 nF]，諧振電感[Lr=2 μH]，輸出電容[Co=470 μF]，轉(zhuǎn)換器仿真工作頻率設(shè)置在30 kHz，分別對(duì)電路工作在升壓和降壓模式都進(jìn)行仿真。

表1列出電路工作在兩種不同模式下，各開(kāi)關(guān)在各時(shí)段的工作狀況，仿真時(shí)設(shè)置PWM控制主開(kāi)關(guān)[S1]，[S2]和輔助開(kāi)關(guān)[Sa]，[Sb]的信號(hào)的占空比分別為0.5和0.1。

當(dāng)該變換器在升壓模式下工作，電源的輸入電壓為200 V，輸出電流為6 A時(shí)，選通信號(hào)控制開(kāi)關(guān)[S2]和[Sb]。在[S2]導(dǎo)通之前，輔助開(kāi)關(guān)[Sb]是工作在導(dǎo)通狀態(tài)，通過(guò)接通[Sb]，實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)[S2]的零電壓轉(zhuǎn)換。圖5是主開(kāi)關(guān)和輔助開(kāi)關(guān)工作時(shí)軟轉(zhuǎn)向的電流電壓關(guān)系圖。

圖5 ?電路工作在升壓模式下主開(kāi)關(guān)[S2]和輔助開(kāi)關(guān)[Sb]

圖6 ?工作在升壓模式下ZVT電路的仿真波形

圖6為軟開(kāi)關(guān)諧振電路電容[Cr]的端電壓、流過(guò)電感[Lr]的電流以及主開(kāi)關(guān)管[S2]、輔助開(kāi)關(guān)[Sb]的源極?漏極工作時(shí)的電壓電流波形。圖7為變換器此時(shí)的輸出電壓和電流分別為400 V和16 A的波形。圖8為軟開(kāi)關(guān)諧振電路電容[Cr]的端電壓、電感[Lr]的電流以及主開(kāi)關(guān)管[S1]、輔助開(kāi)關(guān)[Sa]的源極?漏極工作時(shí)的電壓電流波形。圖9為變換器此時(shí)的輸出電壓為200 V和輸出電流為39 A的波形。

圖7 ?升壓模式下的輸出電壓和電流波形

圖8 ?工作在降壓模式下ZVT電路的仿真波形

3 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文介紹一種新型用于電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)的零電壓過(guò)渡雙向DC?DC變換器的設(shè)計(jì)和仿真分析，提出在傳統(tǒng)的升降壓硬轉(zhuǎn)換電路上，增加兩個(gè)輔助開(kāi)關(guān)器件和一個(gè)LC諧振電路，構(gòu)成一個(gè)H?軟開(kāi)關(guān)控制非隔離式升降壓DC?DC轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)主輔開(kāi)關(guān)零電壓導(dǎo)通和反并聯(lián)二極管零電流關(guān)斷，分析了此轉(zhuǎn)換電路在不同工作模式下的工作原理和動(dòng)態(tài)模型，并在Malab環(huán)境下對(duì)電路進(jìn)行了仿真分析。

圖9 ?轉(zhuǎn)換電路工作在降壓模式下的輸出電壓和電流波形

從結(jié)果上看，在升壓模式下，效率達(dá)到了預(yù)期效率的97.5%;降壓模式下，效率達(dá)到了預(yù)期效率的98.2%。所提出的變換器具有降低開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通損耗，提高電源的利用效率，并順利通過(guò)了6 kW軟開(kāi)關(guān)控制雙向DC?DC變換器的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出的電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)軟開(kāi)關(guān)切換策略的有效性和可靠性。

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