ZVS双向DC-DC变换器在超级电容能量回收中的研究

李洪珠，马文涛，孙双元

(1．辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛125105; 2．葫芦岛市供电公司，辽宁葫芦岛125105)

ZVS双向DC-DC变换器在超级电容能量回收中的研究

李洪珠1，马文涛1，孙双元2

(1．辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛125105; 2．葫芦岛市供电公司，辽宁葫芦岛125105)

针对超级电容器能量回收系统采用硬开关电路存在损耗大的问题，研究了一种基于谐振的双向DC-DC软开关拓扑结构，该拓扑使用四个功率开关管实现功率双向流动，通过开关管的零电压(ZVS)导通，减小了开关损耗。分析了变换器在Buck和Boost模式下的工作模态，并推导了稳态工作时的基本方程。建立了20V/100V、240W双向DC-DC变换器的仿真模型，研制了实验样机，对变换器的工作模式进行了仿真和实验，仿真和实验结果表明变换器的效率可达到95%以上。

超级电容器;双向DC-DC变换器;软开关;ZVS

1 引言

超级电容器是近年来新型能源器件中一个研究的热点，它与传统的静态电容不同，其容量可达法拉级甚至数万法拉，而且具有功率密度高、充电速度快、充放电效率高、使用温度范围宽和循环寿命长等优点，因此被广泛用于混合动力汽车的能量回收系统中［1-4］。为了实现超级电容器的快速充放电，须配置双向DC-DC变换器实现能量的双向流动。

双向DC-DC变换器分为隔离型和非隔离型两种类型。隔离型变换器需要变压器来实现输入和输出的隔离以及能量的传递，效率比较低，同时电路的结构一般比较复杂，设计的成本较高［5-7］。非隔离型变换器具有使用元件数量少、成本低、体积小、质量轻和易于控制的优点，没有变压器，避免了变压器损耗［8-11］。但变换器还是工作在硬开关的状态，开关损耗较大，存在较为严重的电磁干扰(EMI)问题。

文章分析了一种新型非隔离的高效双向DCDC变换器，它只有四个开关来实现高升压和低降压的功能，并可以在Buck和Boost模式下实现开关的ZVS导通或ZCS关断，采用电容分压降低了开关管的电压应力。

2 电路原理

2.1 电路的构成

图1为所采用的双向变换器拓扑的结构。变换器包括主电路和辅助电路两部分，主电路由传统的Buck/Boost电路组成，辅助电路由电容Ca、一个电感La以及开关S3、S4组成。为分析方便作以下假设:①所有的MOSFET，包括它们的体二极管，都是理想的器件;②电容C1、C2和Ca足够大，电压VC1、VC2和VCa在一个开关周期内可以认为恒定不变。

图1 主电路拓扑Fig．1 Main circuit topology

2.2 工作原理分析

2.2.1 Boost模式

图2和图3分别为变换器在Boost模式下的工作波形和在一个开关周期内每个模态的等效电路图。在图2中，开关S1和S2是占空比分别为D和1－D不对称的互补开关。同时，开关S3和S4分别延迟导通。变换器一个开关周期可以分为五个工作模态。

图2 双向变换器Boost模式稳态工作波形Fig．2 Waveforms in Boost mode

模态1(t0～t1)(图3(a)):开关S2和S4关断时模态开始，开关S1和S4的体二极管导通。电感电流iLf和iLa分别开始上升和下降，其上升速率和下降速率可以表示为:

模态2(t1～t2)(图3(b)):在这个模态，开关S1以ZVS条件导通，当电流iLf大于电流iLa时，流向S1的电流反向。当电流iLa减小到0时，开关S4在ZCS条件下关断，此模态结束。

模态3(t2～t3)(图3(c)):在t2时刻，电流iLa反向，开关S3的体二极管导通。S3在ZVS条件下导通，电感电流iLa上升，其上升的速率可以表示为:

电感电流iLf和iLa都流过开关S1。

图3 Boost模式工作模态的等效电路Fig．3 Equivalent circuits in Boost mode

模态4(t3～t4)(图3(d)):在t3时刻，开关S1和S3都关断，开关S2和S3的体二极管导通，开关S2在ZVS条件导通。电感电流iLf和iLa开始下降，其下降的速率可以表示为:

当电流iLa减小到0时，开关S3在ZCS条件下关断，这个模态结束。

模态5(t4～t0)(图3(e)):当电感电流iLa反向时，模态开始，开关S4的体二极管导通，开关S4在ZVS条件下导通。电感电流iLa开始上升，其上升的速率可以表示为:

模态结束开始下一个开关周期。

2.2.2 Buck模式

图4和图5分别为所采用的变换器在Buck模式下的工作波形和在一个开关周期每个模态的等效电路。图4中，开关S3和S4为占空比为D和1－D的不对称互补开关，开关S2延迟后导通。变换器一个开关周期可以分为六个工作模态。

图4 双向变换器Buck模式稳态工作波形Fig．4 Waveforms in Buck mode

模态1(t0～t1)(图5(a)):开关S2和 S4关断时，模态开始，在开关S1和S3的寄生电容COSS放电结束后，其体二极管导通。电感电流iLf开始下降，其下降速率也可以通过式(1)表示。

模态2(t1～t2)(图5(b)):在t1时刻，电感电流iLa开始下降，其下降速率也可以通过式(3)表示。开关S1和S3ZVS条件导通，当电流iLa减小到0时，这个模态结束。

模态3(t2～t3)(图5(c)):在t2时刻，电感电流iLa上升，其上升速率也可以通过式(3)表示。通过式(3)，电感电流iLa的正峰值可以表示为:

图5 Buck模式工作模态的等效电路Fig．5 Equivalent circuits in Buck mode

模态4(t3～t4)(图5(d)):在 t3时刻，开关S1和S3都关断，开关S1和S4的体二极管导通，电感电流iLa开始下降，其下降的速率可以通过式(2)表示。开关S4以ZVS条件导通，当电流iLa减小到0时，这个模态结束。

模态5(t4～t5)(图5(e)):当上升电流iLa大于下降电流iLf时，开关S1体二极管在ZCS条件下关断。在开关S1和关S2的寄生电容COSS分别充电和放电完全后开关S2的体二极管导通，电感电流iLa和iLf分别开始下降和上升，其下降速率和上升速率可以分别由式(6)和式(4)表示，开关S2ZVS导通。电感电流iLa的负峰值可以表示为:

式中，ILf为电感电流iLf的平均值;ΔILf为电感电流iLf的减少量。

模态6(t5～t0)(图5(f)):在t5时刻开关S2的电流反向。电感电流iLa和iLf继续以式(6)和式(4)表示的速率下降和上升。开关S2和S4关断时此模态结束，开始下一个开关周期。

2.3 电压转换比

高压侧的电压可以表示为:

通过对电感La使用伏秒原理，可以得到开关S3和S4的 ZVS导通的最小延迟时间，可以表示为:

3 仿真和实验结果

实验的重点是对DC-DC变换器的拓扑结构进行验证，所以用直流电源代替超级电容器组。仿真和实验参数如下:V1的额定值为20V，V2的额定值为100V，电感值Lf=150μH，La=8μH，电容值C1= C2=30μF，Ca=60μF。开关频率为20kHz，开关管S1～S4选用MOSEFT IRFP 240(VDSS=200V，RDS(on)=31mΩ，ID=150A)。实际的延迟时间d2Ts、d3Ts和d4Ts选为2μs。

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

图7 Boost模式实验波形Fig．7 Experimental waveforms of Boost mode

图6和图7分别给出了在Boost模式下用Saber仿真的波形和实验波形，图8和图9分别给出了在Buck模式下用Saber仿真波形和实验波形。从中可知，仿真和实验波形与理论分析一致，所有的开关都是在ZVS条件下导通。图10为能量转换效率图，Boost模式下的最大转换效率为97.2%，Buck模式下的最大转换效率为97.1%。

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

图9 Buck模式实验波形Fig．9 Experimental waveforms of Buck mode

图10 Buck和Boost模式下的转换效率Fig．10 Conversion efficiencies of Buck and Boost mode

4 结论

本文采用了一种基于谐振的非隔离软开关双向DC-DC变换器，实验结果证明最大效率超过97%。这种变换器结构简单，可以实现所有开关的ZVS导通和部分开关的ZCS关断。

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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，黑龙江籍，副教授，硕士，主要从事电力电子和电力系统领域的研究;马文涛(1988-)，男，山东籍，硕士研究生，主要从事电力储能新技术的研究。