基于超级电容的双向DC-DC变换器软开关 控制分析

高雪松，张相军

(哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院，黑龙江 哈尔滨，150001）

1 引言

近年来随着超级电容的广泛应用，带有双向直流变换器的超级电容储能系统能够对短时能量冲击起到缓冲作用。通过双向DC-DC 变换器可以在短时间内使馈能性负载所产生的瞬时功率被超级电容吸收，并在负载需要瞬时功率时给负载提供瞬时功率。从而减少对电网的危害，满足节能环保的要求。由于基于超级电容储能的双向DC-DC 变换器，能够短时充放电、充放电次数多，因此电梯系统、直流电机驱动系统、不间断电源系统（UPS）、航空航天电源系统、太阳能（风能）发电系统、能量储存 系统、电动汽车系统等系统中都有其适用场合[1-3]。

非隔离Buck/Boost 双向DC-DC 变换器具有效率高、成本低，开关管的电压尖峰不会很高，但会存在开关管内寄生二极管的反向恢复问题，工作在断续模式时，还会发生振铃现象影响稳定运行[4]。

本文以非隔离Buck/Boost 双向DC-DC 变换器的拓扑为基础，使上下桥臂的开关管互补导通，通过开关管的寄生电容、电路中的电感在电感电流过零时谐振，实现开关管的零电压开通，和近似的零电压关断。并对双向DC-DC 变换器的控制模型进行了分析，通过控制超级电容恒流充电，恒流、恒压放电实现了双向变换器的双向运行，并在实验样机上进行了实验验证。

2 双向变换器的模型分析

非隔离双向变换器由于结构简单、效率高等优点，在很多储能场合得到广泛应用，非隔离Buck/Boost 双向DC-DC 变换器的拓扑结构，如图1所示。对于非隔离双向DC-DC 变换器，为了提高系统的功率密度、减少开关损耗和反向恢复损耗，可采用较小的电感并使电感电流工作在断续模式下（DCM）或临界模式（CRM）。临界模式的频率范围太宽，实现起来需要检测电流过零点，实现起来困难。而断续模式下，在电感电流下降为零时，主电感会与电路中的设备输出电容或者开关管的寄生电容之间发生谐振，引起振铃现象，如图2所示。这就造成了对系统的整体效率的影响，同时也会产生严重的EMI 噪声[5]。因此，需要采取相应的措施避免这些问题的出现。

图1 非隔离Buck/Boost 双向DC-DC 变换器拓扑 Fig.1 Non-isolated Buck / Boost bidirectional DC-DC converter’s topology

图2 非隔离双向DC-DC 变换器Buck 模式下工作原理图 Fig.2 Non-isolated bi-directional DC-DC converter schematic diagram Buck mode

图2为非隔离单通道Buck/Boost 双向DC/DC变换器拓扑工作在Buck 模式下的电路原理图，其中Cin为高压侧滤波电容，低压侧虚线框内为多个超级电容单体构成的超级电容组，其中开关管S1与S2驱动信号互补导通在典型的buck 和boost 变换器中，续流管采用的是二极管，当电感电流减小为0 后，不可避免的存在主开关寄生电容与电感的振荡，但是对于如图2所示的电路来说，与续流二极管并联的功率开关为电感电流反向提供了通路，并会在电感电流由负变正的过程中，产生零电压开关条件。

由于变换器中的开关器件和二极管等非线性元件的存在，双向DC-DC 变换器系统是一个非线性系统，但是当系统运行在某一稳态工作点附近时，仍可以把它当作线性系统来近似，buck 模式的模型与boost 模式类似，因此本文仅介绍buck模式的建模。图3是双向变换器的主电路拓扑图。

图3 双向变换器的主电路拓扑图 Fig.3 Bidirectional converter main circuit’s topology

在一个开关期间内，瞬时值是平均值和干扰值的和。当开关管S1导通，S2关断。电路满足如下等式：

当S2导通时，S1关断，有如下等式：

对小信号分析：

D 是占空比的平均值，对于平均值，有：

综合式（1）～式（4）可知：

在上面的式子中，考虑了电感阻抗和超级电容的内阻，在实际的分析中，为了简化等式，这些可以被忽略。小信号电路图如图4所示。图4a 是工作在buck 模式下的双向DC-DC 变换器的等效小信号模型。用同样的方法，可以推断出boost 模式如图4b 所示

图4 小信号电路图 Fig.4 Small-signal circuit

通过以上的分析，闭环系统的性能可以通过设计补偿环节来改变。

3 双向变换器软开关分析

对于隔离Buck/Boost 双向DC-DC 变换器，由于一般基于半桥或全桥拓扑结构可以利用存储在高频变压器中的感性能量在电容放电，可以为开关管创造软开关的条件；但对于非隔离的双向DC-DC 变换器因不存在高频变压器所以难以实现[7]。

图5为S1和S2的驱动信号及电感电流波形示意图。可以看出，电感电流的波形不同于DCM 状态下电流波形，电感电流可以下降为负值然后上 升，因此避免了上述DCM 状态下产生的振铃现象的问题，同时实现开关管的ZVRT（zero-voltage resonant transition）[8-9]。

下面分析了开关管ZVRT 的实现过程，首先，在t1―t2时间段内上管门极信号使能，S1导通，S2关断，电感电流线性上升。

t2―t3时间段，在驱动信号死区时间内，上下桥臂开关管均没有驱动信号，此时电感电流使开关管寄生电容C1充电，C2放电，C1的充电减缓了开关管S1两端电压的上升，从而减少了关断损耗。当C2完全放电时，开关管S2两端电压为0，电感电流会通过二极管D2构成回路，实现了开关管S2在零电压状态开通。

图5门极信号及Buck 电感电流波形示意图 Fig.5 Gate signal and Buck inductor current waveform schematic

t3―t4时间段，在超级电容电压作用下，电感电流线性下降直到过零。

t4―t5时间段，开关管S2导通，则二极管D2在零电压条件下关断，反向恢复损耗为零，同时避免了振铃现象的产生。

t5―t6时间段，S2关断信号来临时，即进入死区时间内，同上，C2充电，C1 放电。

当完全充放电完成时，即进入t6-t7 时间段，电感电流流过D1，此时开关管S1工作在零电压开通条件下，同时也减少了S2的开关损耗。

以上为电路工作在Buck 状态下的分析，对于Boost 同样适用，上下管工作在零电压开通条件下，并使二极管D1的反向恢复损耗为零，寄生振铃现象得到抑制，从而实现了 ZVRT。以上分析对应的各个时间段内电流走向图如图6所示。

图6 buck 方式下各个工作状态的电流走向示意图 Fig.6 The current trend of each work state in buck mode

4 实验波形分析

基于以上理论分析及仿真，本论文搭建了基于超级电容储能的双向DC/DC 变换器实验样机，并在小功率条件下，对双向变换器的工作进行了相关波形的测试。

图7为开关管驱动波形及工作在断续状态下电感电流，可以看出电感电流工作在断续状态下，在到达零点后电流反向，避免了在零点时刻出现的寄生振荡问题。

图7 开关管驱动及电感电流波形图 Fig.7 Switch driver and the inductor current waveform

图8为电感电流断续模式下开关管实现零电压开通的波形图，可以看出在IGBT 两端电压UCE下降为零之后，开关管才有驱动信号，保证了IGBT的零电压开通，实现了ZVRT。

图8 BDC 互补导通开关管ZVRT 的实现 Fig.8 BDC complementary conduction switch ZVRT realization

图9为双向DC/DC 变换器工作于Buck 方式下的超级电容恒流充电波形图，可以看出超级电容初始电压为15 V，控制充电电流为7 A，充电时间为60 s，可以看出超级电容的电压有较好的线性度。

图9 超级电容恒流充电电压波形 Fig.9 Constant current charging super capacitor voltage waveform

图10为双向DC/DC 变换器工作于Boost 方式下的超级电容恒流放电的电压波形图，超级电容初始电压为60 V，放电电流大约为12 A，可以看出超级电容由60 V 放电到10 V 时所用的时间约为55 s。

图10 超级电容恒流放电电压波形（10s/div，10V/div）Fig.10 Super capacitor constant discharge voltage waveform （10s/div，10V/div）

图11为双向变换器启动过程中，电感电流的响应波形，工作于断续状态，启动过程响应时间约为20 ms，具有较快的响应速度。

图11 双向变换器电感电流相应波形 Fig.11 Bidirectional converter inductor current waveform corresponding

在对超级电容充电过程中，为了防止超级电容出现过压造成的危害，需要实时监控超级电容两端的电压。图12为超级电容恒流充电实验，设定超级电容初始电压为20 V，当充电电压达到50 V 时，对超级电容进行涓流充电，维持超级电容电压稳定。可以看出在A点后超级电容两端电压基本稳定，电感电流平均值大约为零。

图12 超级电容恒流恒压充电实验波形 Fig.12 Super capacitor charging constant current experimental waveforms

5 结论

本文对非隔离双向DC-DC 变换器进行了改进，同隔离式拓扑相比非隔离双向DC-DC 变换器具有简单、效率高、系统损耗小的特点。使半桥变换器的上下桥臂的开关管互补导通，通过开关管的寄生电容、电路中的电感在电感电流过零时谐振，实现开关管的零电压开通，和近似的零电压关断，从而实现软开关。基于超级电容储能的双向DC/DC 变换器，通过控制开关器件的占空比，实现统一控制电感电流、电容电压。运用了平均电流控制方式，实现了对超级电容的恒流充电与恒流、恒压放电，具有较短的响应时间。可以得出，超级电容是吸收瞬时能量的很好的选择，是能量存储系统里的重要能量缓冲环节。

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