一種新型零電壓切換雙向DC/DC變換器的設計與仿真

甘家梁 熊曾剛 劉桂濤 萬興

摘 ?要： 由于電動汽車電源變換器在行駛過程中，電機的調速范圍很寬，加減速頻繁，因此對電源變換器的動態響應速度，續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、轉換效率低和電磁干擾嚴重等問題。為此，設計一種新型的具有升壓?降壓功能的零電壓轉換雙向DC?DC變換器。在傳統的升降壓變換器的基礎上，通過增加兩個輔助開關器件和一個LC諧振電路，構成一個H?軟開關控制轉換電路，產生的有源鉗位電壓加載到主開關兩端，實現電路零電壓轉換。在Matlab環境下，對所提出的電路進行仿真，結果表明，所設計的電路能降低開關器件的導通損耗，提高電源的效率，并在6 kW雙向升降壓變換器樣機上進行實驗。

關鍵詞： 電動汽車; 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： TN86?34; TM46 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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

如何提高電動汽車蓄電池的使用壽命和效率，一直是生產廠家和使用者關注的問題，也是業界研究的熱點。電動汽車的啟動、調速、上下坡制動行駛過程是通過調節DC?DC變換器直流母線電壓實現的，并在電動汽車突然制動時將制動能量回饋到蓄電池中，有利于電源整體效率的提高[1?3]。電動汽車蓄電池的電壓一般較低，而汽車在行駛過程中啟動、加減速頻繁，特別是在啟動和制動過程期間，其瞬時功率可達數千瓦，這就要求電源變換器具有低電壓大電流特性，同時要求電源變換器動態響應快，來滿足汽車頻繁啟動的特點，要求電源轉換效率高，滿足電池在一個充電周期內有更長的續航能力的要求[4?5]。本文提出一個具有升壓?降壓（Buck?Boost）雙向DC?DC變換器。在傳統的升降壓變換器中，通過增加兩個輔助開關器件和一個LC諧振電路，構成一個H?軟開關控制轉換電路，形成有源鉗位到主開關，實現電路零電壓轉換（Zero Voltage Transition，ZVT）[6?8]。在Matlab環境下，對所提出的電路進行了仿真，驗證了所設計的電路能降低開關器件的導通損耗，提高了電源的效率，并在6 kW雙向升降壓變換器樣機上進行了實驗。

1 ?軟開關控制DC?DC變換器電路設計與工作原理分析

考慮到電動汽車蓄電池儲能體積及成本，其端電壓一般低于驅動電機的工作電壓，在汽車啟動和加速時，雙向變換器具有升壓斬波能力，將蓄電池端電壓通過變換器升至驅動電機的正常工作電壓范圍內，當運行在減速制動狀態時，將制動回饋的能量通過變換器降壓電路給超級電容充電。為了降低變換器在頻繁的工作過程中，開關電子器件的功率損耗，延長電池的續航時間[9?12]。參考文獻[1]，在傳統的升降壓硬轉換電路上，增加兩個輔助開關器件和一個LC諧振網絡，構成一個H?軟開關控制非隔離式升降壓DC?DC轉換電路。圖1為設計的零電壓過度雙向DC?DC變換器，其電路由輸入電感[Lin]、兩個主開關（[S1]，[S2]），諧振電感（[Lr]）諧振電容（[Cr]），外加輔助開關器件[Sa]和[Sb]構成。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行模式，只需使用一個輔助開關（[Sa]，[Sb]）來實現MOSFET（[S1]，[S2]）的軟啟動。

圖2給出了該變換器主開關[S1]，[S2]和輔助開關[Sa]，[Sb]控制信號的波形，工作在一周期內的主輔開關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周期內，從t0～t6分為五個工作時間段。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

諧振過程是軟開關工作過程中最重要的部分，下面以轉換電路工作在升壓模式下，對其各時段的諧振過程進行原理和定量分析，電路原理圖如圖1所示，結合圖2電路工作時的波形，圖3電路所示的升壓模式下各工作階段電路的工作過程中等效電流的流向。在分析過程中，假設電感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。開關電路的工作過程是按開關周期重復進行的，選擇開關S關斷時刻為起點，分階段分析電路的工作過程。

[t0～t1]時段：[ t0]時刻之前，開關[S2]導通，[iLr=0]，[vCr=0];[t0]時刻，輔助開關[Sb]先于主開關[S2]導通，[vi]通過電感[Lin+Lr]向電容[Cr]充電，[uCr]線性上升，過后，諧振電感[Lr]和諧振電容[Cr]處于諧振狀態，[S2]兩位的電壓以正弦形式變化，從0變到最大，然后在[t1]上變為零，并且諧振電容[Cr]的電壓達到零，以實現主開關[S2]的軟轉向，因此[S2]的關斷損耗減小。

[t0～t2]時段：對于升壓和降壓運行模式，其電路諧振過程的方程為：

[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。當工作在升壓模式下時，[Vs]為[V1]，如圖2所示;當工作在降壓模式下時，[Vs]為[V2]，如圖4所示;[Vo]是加載在負載上的輸出電壓，當t=0時，i（0）=0。

[t1～t2]時段：[ t1]開始，諧振電流通過輔助開關[Sb]和[VD2]續流。[t2]結束時，反并聯二極管停止導通，其電流從負到零。在[t1～t2]時段，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]電壓之間的關系表示為：

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

[t2～t3]時段：主開關[S2]開通，電容器[Cr]端電壓[uCr]被鉗位于零，而電流[iLr]保持不變，這種狀態一直保持在[t3]時刻，輔助開關[Sb]關斷。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]時段：[t3]時刻主開關[S2]導通，其兩端電壓為0，因此沒有開關損耗;輸入電感[Lin]的能量通過[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]時刻，主開關自然關斷。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]時段：[t4]時刻，所有的開關都處于關斷狀態，輸出功率通過[Lin]與[S1]并聯的二極管[VD1]傳輸至負載電阻[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，根據這個特點可以得到電路的阻抗、諧振頻率等技術指標。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，所有階段都通過開關[S1]和[Sa]來控制。在[t0～t4]時段間，降壓模式工作過程被分成4個時段。在[t0]時刻，在開關[S1]之前的短時間內，輔助開關[Sa]導通，以實現零電壓轉換。 在[t0～t3]時段內，工作在降壓模式下的工作過程與工作在升壓模式類似。在[t2]時刻，開關[S1]實現了零電壓導通轉換。在[t3]時刻，開關[Sa]截止并且[S1]導通，則輸出功率通過[S1?Lin?R]傳輸到負載，直到時間[t5]為止。在 [t5～t6]時間段內，不會有輸出功率輸出到負載。

2 ?仿真結果

在Matlab/Simulink環境下，對所設計的軟開關控制變換器進行仿真。器件的參數分別為輸入電感[Lin=100 μH]，諧振電容[Cr=10 nF]，諧振電感[Lr=2 μH]，輸出電容[Co=470 μF]，轉換器仿真工作頻率設置在30 kHz，分別對電路工作在升壓和降壓模式都進行仿真。

表1列出電路工作在兩種不同模式下，各開關在各時段的工作狀況，仿真時設置PWM控制主開關[S1]，[S2]和輔助開關[Sa]，[Sb]的信號的占空比分別為0.5和0.1。

當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，選通信號控制開關[S2]和[Sb]。在[S2]導通之前，輔助開關[Sb]是工作在導通狀態，通過接通[Sb]，實現主開關[S2]的零電壓轉換。圖5是主開關和輔助開關工作時軟轉向的電流電壓關系圖。

圖5 ?電路工作在升壓模式下主開關[S2]和輔助開關[Sb]

圖6 ?工作在升壓模式下ZVT電路的仿真波形

圖6為軟開關諧振電路電容[Cr]的端電壓、流過電感[Lr]的電流以及主開關管[S2]、輔助開關[Sb]的源極?漏極工作時的電壓電流波形。圖7為變換器此時的輸出電壓和電流分別為400 V和16 A的波形。圖8為軟開關諧振電路電容[Cr]的端電壓、電感[Lr]的電流以及主開關管[S1]、輔助開關[Sa]的源極?漏極工作時的電壓電流波形。圖9為變換器此時的輸出電壓為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 ?語

本文介紹一種新型用于電動汽車電池系統的零電壓過渡雙向DC?DC變換器的設計和仿真分析，提出在傳統的升降壓硬轉換電路上，增加兩個輔助開關器件和一個LC諧振電路，構成一個H?軟開關控制非隔離式升降壓DC?DC轉換電路，實現主輔開關零電壓導通和反并聯二極管零電流關斷，分析了此轉換電路在不同工作模式下的工作原理和動態模型，并在Malab環境下對電路進行了仿真分析。

圖9 ?轉換電路工作在降壓模式下的輸出電壓和電流波形

從結果上看，在升壓模式下，效率達到了預期效率的97.5%;降壓模式下，效率達到了預期效率的98.2%。所提出的變換器具有降低開關的導通損耗，提高電源的利用效率，并順利通過了6 kW軟開關控制雙向DC?DC變換器的樣機實驗，驗證了所提出的電動汽車電池系統軟開關切換策略的有效性和可靠性。

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