基于新能源汽車光伏充電樁的新型雙向大變比DC-DC變換器研究

王亮 蔣慶來

（長沙職業技術學院，長沙 410217）

主題詞：大變比 DC-DC變換器 雙向 NEV

1 引言

在能源供應日趨緊張和全球氣候變暖因素的背景下，太陽能的應用越來越廣泛，應用太陽能電池實現能量轉換(輻射能轉化為電能)的發電系統稱為光伏發電系統。基于光伏發電系統的新能源汽車充電樁能夠為新能源汽車提供清潔、高效的電能。如圖1所示在典型的光伏發電系統，超級電容，蓄電池等儲能設備是系統中必不可少的組成部分，一方面，目前光伏發電系統中常用儲能設備是蓄電池，其基本單元的輸出電壓通常較低，一般為12~48 V；另一方面，新能源汽車充電樁輸出直流母線電壓通常需要在400 V以上，因此在光伏充電樁的儲能設備與直流母線之間，需要雙向大變比DC-DC變換器進行能量的傳遞。

圖1 光伏充電樁結構

本文基于新能源汽車光伏充電樁的應用場合，提出一種新型雙向大變比DC-DC變換器。該變換器的結構簡單，在較小的耦合電感匝比下實現了電壓的雙向大變比變化，具有良好的工作性能。

2 電路拓撲結構

基于新能源汽車光伏充電樁的新型雙向大變比DC-DC變換器拓撲如圖2所示。圖中為低壓側電源，為高壓側電源，與為一對耦合電感，匝比為(=N/N)，為中間電容，S，S為開關管，D，D為功率二極管，為獨立電感。

圖2 基于新能源汽車光伏充電樁的新型雙向大變比DC-DC變換器拓撲

3 電路工作原理分析

3.1 正向升壓模式

在正向升壓模式中，開關管S和二極管D交替導通，相位相差180°，在一個開關周期內，共有2個開關模態，穩態工作時各開關模態的等效電路及其開關周期關鍵參量工作波形分別如圖3和圖4所示。

圖3 變換器正向升壓模式的工作模態

圖4 開關周期關鍵參量的主要工作波形

新型雙向大變比DC-DC變換器升壓方向的電路變比如式（1）。

式中，為開關管S1占空比。

通過式（1）可以建立新型雙向大變比DC-DC變換器正向升壓方向電壓變比與開關管S占空比和耦合電感匝比之間關系，如圖5所示。

圖5 變換器正向升壓電壓變比G Boost與占空比D和匝比N之間的關系

3.2 反向降壓模式：

在反向降壓模式中，開關管S和二極管D交替導通，相位相差180°，在一個開關周期內，共有2個開關模態，穩態工作時各開關模態的等效電路及其開關周期關鍵參量工作波形分別如圖6和圖7所示。

圖6 變換器反向降壓模式的工作模態

圖7 開關周期關鍵參量的主要工作波形

新型雙向大變比DC-DC變換器降壓方向的電路變比，如式（2）。

式中，為開關管S占空比

新型雙向大變比DC-DC變換器反向降壓方向電壓變比與開關管S占空比和耦合電感匝比之間關系，如圖8所示。

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圖8 變換器反向降壓電壓變比G Buck與占空比D和匝比N之間的關系

4 電感設計

以正向升壓模式為例。低壓側電流平均值為；高壓側電流平均值為。在以開關管S導通為起始的一個周期內，開關管S導通前，耦合電感和的電流瞬時值為i和i；開關管S導通后，耦合電感和的電流瞬時值為i和i；開關管S關斷前，耦合電感和的電流瞬時值為i和i；開關管S關斷后，耦合電感和的電流瞬時值為i和i；開關管S導通時，電感的電流為i；開關管S關斷時，電感的電流為i。相關參量如圖9所示。

圖9 電流波形相關參量示意

4.1 電感L2的設計

在一個開關周期內，電感滿足伏秒平衡，因此i=i，當電感電流臨界連續時，電感的電流增減量即為2倍高壓側電流平均值。

由式（3）得，電感電流連續條件如式（4）。

4.2 耦合電感L11和L12的設計

開關轉換過程中耦合電感和之間的能量發生轉移，電流發生跳變，但任意時刻鐵芯中磁勢不能突變，因此由開關開通和關斷2個時刻，如式（5）、（6）。

耦合電感只在開關S導通時有電流流過，如式（7）。

耦合電感臨界連續時，如式（8）。

高壓側電流平均值為即為電感電流平均值，如式（10）。

電感電流i在一個周期內的電流平均值I，如式（11）。

低壓側電流平均值即為耦合電感電流平均值，如式（12）。

由式(5)~(12)可得，要保證耦合電感和電流臨界連續，耦合電感應滿足式（13）。

5 仿真與試驗研究

為了驗證前述理論分析的正確性，本文根據圖1所示的基于新能源汽車光伏充電樁新型雙向大變比DC-DC變換器，按照前述相關參數設計理論要求，在仿真軟件PSIM中搭建了仿真模型，仿真模型參數如表1所示。

表1 電路仿真參數

5.1 正向升壓仿真研究

圖10給出了基于新能源汽車光伏充電樁新型雙向大變比DC-DC變換器正向升壓方向的仿真波形。圖10（a）為低壓側電壓波形、高壓側電壓波形、中間電容電壓波形，在匝比=0.9、占空比=0.5時實現了從低壓側電壓48 V到高壓側電壓480 V的升壓變比，中間電容電壓為480 V，等于高壓側電壓，與理論分析相符。圖10（b）為功率開關管S漏源2端電壓、功率二極管D陰極與陽極2端的電壓、耦合電感電流i波形，功率開關管S的電壓應力為96 V，功率二極管D的電壓應力為960 V，與理論分析相符。

圖10 正向升壓方向仿真波形

圖10 正向升壓方向仿真波形

5.2 反向降壓仿真研究

圖11給出了基于新能源汽車光伏充電樁新型雙向大變比DC-DC變換器正向升壓方向的仿真波形。圖11（a）為低壓側電壓波形、高壓側電壓波形、中間電容電壓波形，在匝比=0.9、占空比=0.5時實現了從低壓側電壓48 V到高壓側電壓480 V的升壓變比，中間電容電壓為480 V等于高壓側電壓，與理論分析相符。圖11（b）為功率開關管S漏源2端電壓、功率二極管D陰極與陽極2端的電壓、耦合電感電流i波形，功率開關管S的電壓應力為96 V，功率二極管D的電壓應力為960 V，與理論分析相符。

6 結論

本文提出了一種基于新能源汽車光伏充電樁的新型雙向大變比DC-DC變換器，對其應用場合和工作原理進行了詳細分析，最后通過PSIM軟件進行了仿真驗證。本文所提出的變換器具有以下特點：

（1）通過耦合電感的應用，提高了高低壓側電壓的變比，實現了電能的雙向變化與處理。

（2）變換器所實現的電壓變比越大，耦合電感所需匝比越小，漏感越小，所提變換器結構能有效避免耦合電感漏感所帶來的電壓尖峰和效率低下問題。

由于時間和實驗條件的限制，還有些研究工作有待于今后進一步的開展和完善，主要有：進行實驗研究；耦合電感的損耗分析以及匝比的優化設計；軟開關技術研究等。