李洪珠，馬文濤，孫雙元

(1．遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島125105; 2．葫蘆島市供電公司，遼寧葫蘆島125105)

ZVS雙向DC-DC變換器在超級(jí)電容能量回收中的研究

李洪珠1，馬文濤1，孫雙元2

(1．遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島125105; 2．葫蘆島市供電公司，遼寧葫蘆島125105)

針對(duì)超級(jí)電容器能量回收系統(tǒng)采用硬開關(guān)電路存在損耗大的問題，研究了一種基于諧振的雙向DC-DC軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)涫褂盟膫€(gè)功率開關(guān)管實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)，通過開關(guān)管的零電壓(ZVS)導(dǎo)通，減小了開關(guān)損耗。分析了變換器在Buck和Boost模式下的工作模態(tài)，并推導(dǎo)了穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的基本方程。建立了20V/100V、240W雙向DC-DC變換器的仿真模型，研制了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)變換器的工作模式進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明變換器的效率可達(dá)到95%以上。

超級(jí)電容器;雙向DC-DC變換器;軟開關(guān);ZVS

1 引言

超級(jí)電容器是近年來新型能源器件中一個(gè)研究的熱點(diǎn)，它與傳統(tǒng)的靜態(tài)電容不同，其容量可達(dá)法拉級(jí)甚至數(shù)萬法拉，而且具有功率密度高、充電速度快、充放電效率高、使用溫度范圍寬和循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用于混合動(dòng)力汽車的能量回收系統(tǒng)中［1-4］。為了實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器的快速充放電，須配置雙向DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。

雙向DC-DC變換器分為隔離型和非隔離型兩種類型。隔離型變換器需要變壓器來實(shí)現(xiàn)輸入和輸出的隔離以及能量的傳遞，效率比較低，同時(shí)電路的結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)的成本較高［5-7］。非隔離型變換器具有使用元件數(shù)量少、成本低、體積小、質(zhì)量輕和易于控制的優(yōu)點(diǎn)，沒有變壓器，避免了變壓器損耗［8-11］。但變換器還是工作在硬開關(guān)的狀態(tài)，開關(guān)損耗較大，存在較為嚴(yán)重的電磁干擾(EMI)問題。

文章分析了一種新型非隔離的高效雙向DCDC變換器，它只有四個(gè)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)高升壓和低降壓的功能，并可以在Buck和Boost模式下實(shí)現(xiàn)開關(guān)的ZVS導(dǎo)通或ZCS關(guān)斷，采用電容分壓降低了開關(guān)管的電壓應(yīng)力。

2 電路原理

2.1 電路的構(gòu)成

圖1為所采用的雙向變換器拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)。變換器包括主電路和輔助電路兩部分，主電路由傳統(tǒng)的Buck/Boost電路組成，輔助電路由電容Ca、一個(gè)電感La以及開關(guān)S3、S4組成。為分析方便作以下假設(shè):①所有的MOSFET，包括它們的體二極管，都是理想的器件;②電容C1、C2和Ca足夠大，電壓VC1、VC2和VCa在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)可以認(rèn)為恒定不變。

圖1 主電路拓?fù)銯ig．1 Main circuit topology

2.2 工作原理分析

2.2.1 Boost模式

圖2和圖3分別為變換器在Boost模式下的工作波形和在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)每個(gè)模態(tài)的等效電路圖。在圖2中，開關(guān)S1和S2是占空比分別為D和1－D不對(duì)稱的互補(bǔ)開關(guān)。同時(shí)，開關(guān)S3和S4分別延遲導(dǎo)通。變換器一個(gè)開關(guān)周期可以分為五個(gè)工作模態(tài)。

圖2 雙向變換器Boost模式穩(wěn)態(tài)工作波形Fig．2 Waveforms in Boost mode

模態(tài)1(t0～t1)(圖3(a)):開關(guān)S2和S4關(guān)斷時(shí)模態(tài)開始，開關(guān)S1和S4的體二極管導(dǎo)通。電感電流iLf和iLa分別開始上升和下降，其上升速率和下降速率可以表示為:

模態(tài)2(t1～t2)(圖3(b)):在這個(gè)模態(tài)，開關(guān)S1以ZVS條件導(dǎo)通，當(dāng)電流iLf大于電流iLa時(shí)，流向S1的電流反向。當(dāng)電流iLa減小到0時(shí)，開關(guān)S4在ZCS條件下關(guān)斷，此模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)3(t2～t3)(圖3(c)):在t2時(shí)刻，電流iLa反向，開關(guān)S3的體二極管導(dǎo)通。S3在ZVS條件下導(dǎo)通，電感電流iLa上升，其上升的速率可以表示為:

電感電流iLf和iLa都流過開關(guān)S1。

圖3 Boost模式工作模態(tài)的等效電路Fig．3 Equivalent circuits in Boost mode

模態(tài)4(t3～t4)(圖3(d)):在t3時(shí)刻，開關(guān)S1和S3都關(guān)斷，開關(guān)S2和S3的體二極管導(dǎo)通，開關(guān)S2在ZVS條件導(dǎo)通。電感電流iLf和iLa開始下降，其下降的速率可以表示為:

當(dāng)電流iLa減小到0時(shí)，開關(guān)S3在ZCS條件下關(guān)斷，這個(gè)模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)5(t4～t0)(圖3(e)):當(dāng)電感電流iLa反向時(shí)，模態(tài)開始，開關(guān)S4的體二極管導(dǎo)通，開關(guān)S4在ZVS條件下導(dǎo)通。電感電流iLa開始上升，其上升的速率可以表示為:

模態(tài)結(jié)束開始下一個(gè)開關(guān)周期。

2.2.2 Buck模式

圖4和圖5分別為所采用的變換器在Buck模式下的工作波形和在一個(gè)開關(guān)周期每個(gè)模態(tài)的等效電路。圖4中，開關(guān)S3和S4為占空比為D和1－D的不對(duì)稱互補(bǔ)開關(guān)，開關(guān)S2延遲后導(dǎo)通。變換器一個(gè)開關(guān)周期可以分為六個(gè)工作模態(tài)。

圖4 雙向變換器Buck模式穩(wěn)態(tài)工作波形Fig．4 Waveforms in Buck mode

模態(tài)1(t0～t1)(圖5(a)):開關(guān)S2和 S4關(guān)斷時(shí)，模態(tài)開始，在開關(guān)S1和S3的寄生電容COSS放電結(jié)束后，其體二極管導(dǎo)通。電感電流iLf開始下降，其下降速率也可以通過式(1)表示。

模態(tài)2(t1～t2)(圖5(b)):在t1時(shí)刻，電感電流iLa開始下降，其下降速率也可以通過式(3)表示。開關(guān)S1和S3ZVS條件導(dǎo)通，當(dāng)電流iLa減小到0時(shí)，這個(gè)模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)3(t2～t3)(圖5(c)):在t2時(shí)刻，電感電流iLa上升，其上升速率也可以通過式(3)表示。通過式(3)，電感電流iLa的正峰值可以表示為:

圖5 Buck模式工作模態(tài)的等效電路Fig．5 Equivalent circuits in Buck mode

模態(tài)4(t3～t4)(圖5(d)):在 t3時(shí)刻，開關(guān)S1和S3都關(guān)斷，開關(guān)S1和S4的體二極管導(dǎo)通，電感電流iLa開始下降，其下降的速率可以通過式(2)表示。開關(guān)S4以ZVS條件導(dǎo)通，當(dāng)電流iLa減小到0時(shí)，這個(gè)模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)5(t4～t5)(圖5(e)):當(dāng)上升電流iLa大于下降電流iLf時(shí)，開關(guān)S1體二極管在ZCS條件下關(guān)斷。在開關(guān)S1和關(guān)S2的寄生電容COSS分別充電和放電完全后開關(guān)S2的體二極管導(dǎo)通，電感電流iLa和iLf分別開始下降和上升，其下降速率和上升速率可以分別由式(6)和式(4)表示，開關(guān)S2ZVS導(dǎo)通。電感電流iLa的負(fù)峰值可以表示為:

式中，ILf為電感電流iLf的平均值;ΔILf為電感電流iLf的減少量。

模態(tài)6(t5～t0)(圖5(f)):在t5時(shí)刻開關(guān)S2的電流反向。電感電流iLa和iLf繼續(xù)以式(6)和式(4)表示的速率下降和上升。開關(guān)S2和S4關(guān)斷時(shí)此模態(tài)結(jié)束，開始下一個(gè)開關(guān)周期。

2.3 電壓轉(zhuǎn)換比

高壓側(cè)的電壓可以表示為:

通過對(duì)電感La使用伏秒原理，可以得到開關(guān)S3和S4的 ZVS導(dǎo)通的最小延遲時(shí)間，可以表示為:

3 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是對(duì)DC-DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，所以用直流電源代替超級(jí)電容器組。仿真和實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下:V1的額定值為20V，V2的額定值為100V，電感值Lf=150μH，La=8μH，電容值C1= C2=30μF，Ca=60μF。開關(guān)頻率為20kHz，開關(guān)管S1～S4選用MOSEFT IRFP 240(VDSS=200V，RDS(on)=31mΩ，ID=150A)。實(shí)際的延遲時(shí)間d2Ts、d3Ts和d4Ts選為2μs。

圖6 Boost模式仿真波形Fig．6 Simulation waveforms of Boost mode

圖7 Boost模式實(shí)驗(yàn)波形Fig．7 Experimental waveforms of Boost mode

圖6和圖7分別給出了在Boost模式下用Saber仿真的波形和實(shí)驗(yàn)波形，圖8和圖9分別給出了在Buck模式下用Saber仿真波形和實(shí)驗(yàn)波形。從中可知，仿真和實(shí)驗(yàn)波形與理論分析一致，所有的開關(guān)都是在ZVS條件下導(dǎo)通。圖10為能量轉(zhuǎn)換效率圖，Boost模式下的最大轉(zhuǎn)換效率為97.2%，Buck模式下的最大轉(zhuǎn)換效率為97.1%。

圖8 Buck模式仿真波形Fig．8 Simulation waveforms of Buck mode

圖9 Buck模式實(shí)驗(yàn)波形Fig．9 Experimental waveforms of Buck mode

圖10 Buck和Boost模式下的轉(zhuǎn)換效率Fig．10 Conversion efficiencies of Buck and Boost mode

4 結(jié)論

本文采用了一種基于諧振的非隔離軟開關(guān)雙向DC-DC變換器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明最大效率超過97%。這種變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)的ZVS導(dǎo)通和部分開關(guān)的ZCS關(guān)斷。

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Research of ZVS bi-directional DC-DC converter in supercapacitor energy recovery system

LI Hong-zhu1，MA Wen-tao1，SUN Shuang-yuan2
(1．School of Electrical and Control Engineering，Liaoning Technical University，Huludao 125105，China; 2．Huludao Power Supply Company，Huludao 125105，China)

In view of the problem that super capacitor energy recovery system with hard switching circuit has high loss，this paper studies a bidirectional DC-DC soft switching topology based on resonance．The topology uses four power switches to achieve bidirectional power flow，then it reduces switching loss through the switch conduction with zero voltage(ZVS)．The paper analyzes the working mode of converter under the mode of Buck and Boost mode，and deduces the basic equation of steady work．Then we established a simulation model of 20V/100V 240W bidirectional DC-DC converter and manufactured an experimental prototype．Afterwards the simulation and experiment are carried out on the converter operation mode，and the results of simulation and experimental show that the efficiency of the converter can reach more than 95%．

supercapacitor;bi-directional DC-DC converter;soft switch;ZVS

TM46

:A

:1003-3076(2015)05-0018-06

2013-08-11

李洪珠(1974-)，男，黑龍江籍，副教授，碩士，主要從事電力電子和電力系統(tǒng)領(lǐng)域的研究;馬文濤(1988-)，男，山東籍，碩士研究生，主要從事電力儲(chǔ)能新技術(shù)的研究。