高效双向软开关DC-DC转换器.doc

1、高效双向软开关 DC-DC 转换器 摘要 为了减少双向 DC-DC 转换器的大小，传统的扑结构采用高频硬开关的操作方法。随着开关频率越来越高，开关损耗明显增加。为了克服这一缺点，通常一个辅助电路使用软开关实现。辅助电路的开关使用硬开关操作。在此论文中推荐使用高效双向 DC-DC 变换器。建议辅助电路用一个谐振电感和两个电容器。减少自身从开关在零电压开关的开启和关闭状态下运行的损失。推荐的拓扑结构的特主要点不仅是软开关方法易操作，而且结构简单。推荐的双向软开关 DC-DC转换器的效率在实验结果中得到验证。 关键词 双向 转换器，软开关，电动汽车，分布式电源系统，非隔离转换器，零点压开关，高效，谐

2、振网络。 .前言 由于经济迅速增长和对能源的巨大需求，全球的能源危机已经加剧恶化。为了解决能源问题，像电动汽车和分布式电源系统 1-3这些有利于环境的系统已经在研究。在这些应用中，就像一个电池系统的能量存储系统必须需要保存和使用能源。因此，一个双向 DC-DC 转换器（ BDC）允许两个直流电源之间的电力传输成为电力电子技术的重要课题。 BDC 分为隔离转换器 4-6和非隔离转换器7-8。 BDC 尺寸更小，重量更轻并且效 率更高，等等。为了尽量减少 BDC 的大小，必须提高开关频率。然而，开关频率的增加导致更高的开关损耗。为了解决这个问题，很多软开关技术采用广泛用于在 DC-DC 变换器的谐

3、振网络。 本文提出了一个高效率的双向软开关 DC-DC 变换器（ BSDC）。推荐的转换器是在双向半桥型降压 -升压拓扑结构的基础上。与半桥拓扑结构相比，它增加了一个谐振电感、谐振电容和两个并联电容器。推荐的转换器没有额外的开关作为软开关式主开关。 推荐的转换器使用谐振电路可以实现所有开关为零点压开关（ ZVS）。本文详细介绍 BDC 的工作原理和理论分析。一 个 3kW 的样机已经实施，并得到了实验结果，以验证所提出的 BSDC。 .常规转换器 半桥类型的 BDC 如图 1 所示，是具有双向功率传输。多电平矩阵变换器不会同时运转。当多电平矩阵变换器要提高运行模式时开关 1S 主要是开关功能

4、,而当整流器工作在降压式变换电路中时，主要的开关是 2S 。 图 1 传统的半桥式类型的 BDC 这种拓扑结构的缺点是电感 电流有很多高峰 波纹。缺点是拓扑使用硬开关使效率降低。 解决问题的方法如下所示 8。 1) 降低损耗减少使用软开关的方法。 2) 使用附加滤波器的输入和输出。 3) 减少使用交替的纹波电流技术。 4) 利用谐振技术。 5) 使用辅助电路协助开关使用软开关操作作为 ZVT 转换器。 但是这些技术很复杂、昂贵并且难以控制。 .推荐的转换器的说明 如图 2 所示，是本文推荐的 BSDC。与图 1 相比，辅助电路由一个谐振电感、两个谐振电容和两个平行电容器组成。通过使用这些组件，

5、开关作为 ZVS 打开或关闭没有开关损耗。 图 2 推荐 BSDC 的电路配置 推荐的 BSDC 有两种操作模式。升压模式是 BSDC 从 LowV 到 HighV 传输，并且其他方式（升压模式）就是此 BSDC。在升压模式中，开关 2S 作为主开关操作，开关 1S 则是被作为一个辅助开关。另一方面，在降压模式下， 开关 S1 则是作为主开关，而 S2 被作为一个辅助开关。当电流流入通过反并联二极管，两个开关都打开。另外， MOSFET 的传导损耗小，因为其 RDS（ ON）低。储存能源的电池或超级电容器作为 LowV 源。电压源 HighV 连接到电力电子系统的 DC 总线，就像电网连接变频

6、器。 A.升压操作模式 图 3 理论值电压和电流的升压模式操作 如图 3 所示，在升压模式中的一个开关周期 的推荐转换器的关键波形。一个开关周期分为 8 个阶段。观察电流 2CoI 的波形，和图中的 LrI 相同。图 4 则是操作的阶段。 图 4 在升压模式下变换器的等效电路的一个开关周期 模式 1（ 10 ttt ） 当开关 2S 的 门极信号关闭，模式 1 被激活。当开关 2S 关闭，流经开关的启动电流通过 2rC ，并且 2S 在 ZVS 作为条件期间为关闭状态。由于电流流入通过1rC ，电流使开关 1S 打开，在模式 2 下的 ZVS 条件下。这种模式是第一谐振模式，并提出下列公式。

7、tIIZtVVtV rrrrCoCoCr s inc o s 11211 （ 1） tIIZtVVtV rrrrCoCoCr s inc o s 11222 （ 2） tZVtIIIti rrCorrLr s inc o s 2111 （ 3） 模式 2（ 21 ttt ） 当 2rC 电压等于 HighV ，开始模式 2。电感电流 Li 和谐振电感电流 Lri 流经反并联二极管。当开关 S1 接收门信号， 通过谐振电感电流下降，得到 方程 （ 4）。电流的谐振修订者表示。当电流变为零，此模式完成。 21 rOLr ItLVti （ 4） 模式 3（ 32 ttt ） 当由于通过主电感器的电流

8、使谐振电感电流的方向改变时，使模式 3 启动。在模式 3 中，主电感电流逐渐下降，它可以表示为 方程 （ 5）。另一方面，谐振电感电流的增加，相应的方程如 方程 （ 6）。直到电流 Li 和 Lri 量彼此相等，这种模式才算完成。 2ItLVti OL （ 5） tLVti OLr 1 （ 6） 模式 4（ 43 ttt ） 当主电感电流 Li 的总合等于谐振电感的电流 LrI 时，模式 4 开始。此模式一直保持，直到 1S 的栅极信号被关闭。在这种模式下，当电流流过反并联二极管，开关 1S 在 ZVS 状态下打开。输出电压 的确定 取决于门信号的条件。方程（ 7）和方程 （ 8） 是和 主电

9、感电流和谐振电感电流分别对应的。 2ItLVti OL （ 7） tLVti OLr 1 （ 8） 模式 5（ 54 ttt ） 模式 5 是第二个谐振模式， 并且当 开关 1S 关闭 关闭时， 这种模式被激活。当1S 被关闭 时，电流流经 1S 并穿过 1rC 。因此，开关 1S 在 零电压条件 下 被关闭。模式 1 和模 式 5 之间的区别是谐振回路 是 相反 的 方向。从方程（ 9） 到方程 （ 11）解释 了 每个谐振元件的电压和电流的时间变化的根据。 tIIZtVVtV rrrrOOCr s inc o s 44111 （ 9） tIIZtVVtV rrrrOOCr s inc o

10、s 44122 （ 10） tZVtIIIti rrOrrLr s inc o s 1444 （ 11） 模式 6（ 65 ttt ） 当 1rC 的电压水平等于 HighV 时，此模式开始 。由于谐振电感电流的连续性，电流流过 反并联二极管。当打开门信号开关 2S ，开关 在 ZVS 条件 下打开 。 5ItLVti rINL （ 12） 52 rrOLr ItLVti （ 13） 模式 7（ 76 ttt ） 当主电感器的电流水平等于谐振电感的电流水平时，模式 7 启动。自从开关2S 为通路状态，主电感电流将逐渐增加，给 出相应的方程（ 14）。从方程（ 15）看出，谐振电感电流骤降。此时

11、此模式完成。 6ItLVti rINL （ 14） 62 rrOLr ItLVti （ 15） 模式 8（ 87 ttt ） 从模式 6 到模式 8，主电感电流骤升，相应的方程（ 16）。与先前的 模式相比，谐振电感电流增加的方向相反，相应的方程（ 17）。当开关 S2 关闭，这种模式完成。 7ItLVti rINL （ 16） tLVti rOLr 2 （ 17） B.降压模式运行 降压模式操作，也能够被分为 8 个阶段，比如升压模式操作。为了比较降压模式与升压模式，因为波形的精度分析，电压极性和电流方向是固定的。因此 ，主电感电流不断流入，甚至低于零。在零电流的基础水平上，伴随着升压模式电

12、流向相反方向流入。特别的，当分析降压模式时，开关的作用发生了改变，但分析方法与升压模式类似。在降压模式下，开关 1S 和 2S 分别作为主开关和辅助开关操作。 如图 5 所示，在降压模式中变换器在一个开关周期的关键波形。 图 5 降压操作模式下的理论电压和电流 从图 5 中可以看出， 2coi 的电流波形等同于 Lri 的电流波形。图 6 展示的是操作阶段。 图 6 在降压模式中变换器在一个开关周期的等效电路 .实验结果 为了验证 推荐 的 BSDC 的性能。实验装置 的安装 如图 7 所示 。图 7（ a）描绘 的是独立 PVPCS 的硬件 没有升压转换器 。图 7（ b） 则是 双向拓扑结

13、构。 图 7 推荐 BSDC 的原型 独立 PVPCS 需要 一个 双向功率转换系统 和一个像 电池和超级电容器 的储能系统 。能量转换系统的系统效率是能够通过使用 推荐 的拓扑提高。考虑电池电压以及直流总线电压， LowV 设为 200 伏，并且 HighV 设为 400 伏 。主电感 L 的 大小是 1 毫亨，使用铁氧体磁芯 。 谐振电感 rL 是 PQ 核心，其容量是 60 微亨 。 ICEL 公司的 10 微法电容 和 5微法 电容作为谐振电容， 分别作为 1rC 、 2rC 、 1oC 和 2oC 。电源开关 IFN70N60Q2由 IXYS 公司生产 。外围电路 包括 栅极驱动器和

14、传感器电路。双向转换器的开关频率为 30 千赫。 在 升压模式试验的基础上，每种模式 对 固定的电压 极性和电流方向进行了比较。图 8 显示了 在 升压模式下，双向转换 器的波形 。 图 11 对应于降压模式下转换器的电压和电流 的 波 型 。 Li 的 增加或减少 同样 取决于 开关 ，以及电流是 否 连续。电流波形如图 8（ a）所示 。谐振电感电流 Lri 的波形在 0 安线上 交替。主开关的电流和电压如图 8（ b）所示 。 在 ZVS 状态下关闭开关， 波形 可以 放大 显示。此外，当电流流过反并联二极管， 2S 收到 的门信号 使 ZVS 打开 。图 8（ c）所示的 是 一个辅助开关的电压和电流 波形 。 表 1 实验参数 符号 意义 大小 P 功率 3（ kW） L 主电感 1（ mH） rL 谐振电感 60（ H） 1rC ， 2rC 谐振电容 10（ F） HighV 高电压 400（ V） LowV 低电压 200（ V） swf 转换频率 30（ kHz） 图 8 升压操作模式