一种车用双电源系统中新型双向DC-DC变流器研究*

房绪鹏　庄见伟　李辉　许玉林（山东科技大学，青岛 266590）



一种车用双电源系统中新型双向DC-DC变流器研究*

房绪鹏庄见伟李辉许玉林
（山东科技大学，青岛 266590）

【摘要】为解决汽车双电源供电系统中功率流向分配以及能量双向馈送的问题，针对传统非隔离双向Buck-Boost变流器存在的不足，提出了一种新型双向功率流DC-DC变流器，采用准阻抗源网络，提高了双向直流变流器的功率转换效率以及抗电磁干扰能力，分析了这种新型拓扑的双向工作原理和过程。试验结果表明，该变流器可实现能量的双向流动，且每一功率流方向可升、降压，电压增益较高。此外，它还具有体积小、质量轻、成本低的优点，为降低电源造价以及减小车载空间提供了条件。

主题词：双电源供电系统双向DC-DC变流器准阻抗源网络能量双向流动

1　引言

随着汽车电气化和电子技术的迅速发展，汽车电子设备的应用对电源容量的需求日益增长，作为过渡阶段的42 V/14 V双电源供电系统已经成为国内外汽车领域近期的研发热点［1］。随着42 V/14 V供电技术的不断发展，双电源供电系统的研发显示出越来越关键的地位，同时，也会逐步推动高压电源在汽车电气系统上的推广和应用［2］。

近年来，双向功率流DC-DC变流器逐渐成为功率变换技术的研究热点之一，在汽车42 V/14 V双电源供电系统中可以作为能量交换的桥梁实现功率流的管理和分配［3］，而传统的42 V/14 V双电源供电系统以非隔离型双向Buck-Boost直流变流器为基础，其虽结构简单、控制方便，但输出反极性电压且纹波较大，蓄电池两端易产生脉动干扰，影响蓄电池寿命，并且其转换效率低、可靠性差等缺陷也制约了车载电源系统的发展［4］。为了提高42 V/14 V双电源供电系统的性能和功率转换效率，本文提出了一种新型非隔离双向功率流准阻抗源DC-DC变流器，相比传统的双向变流器，这种新型电路拓扑由于设置了独特的准阻抗源网络，电路具有很高的可靠性，可以保持电感、电流连续，避免双向电力电子开关器件共态导通或共态关断时损坏电力电子器件［5］。此外，它还具有变压精度高、抗电磁干扰能力强、开关电压应力较小的优势，克服了传统双向DC-DC变流器的缺陷，为直流变换器的发展作了理论和实际铺垫［6］。

2　汽车42 V/14 V双电源供电系统

汽车42 V/14 V双电源供电系统的基本组成部分为ISA模块和双向功率流DC-DC变流器，如图1所示。ISA模块由起动机/发电机和整流逆变功率转换器构成，汽车发动后，发电机发出42 V交流电，经整流功率变换器变为42 V直流电向42 V负载供电并为36 V蓄电池充电，同时经双向功率流准Z源DC-DC变流器降压为14 V直流电，向14 V直流负载供电并为12 V蓄电池充电［7］。

图1　汽车42 V/14 V双电源供电系统

3　双电源供电系统的新型双向准Z源DC-DC变流器

在汽车双电源供电系统中，融入本文提出的新型双向功率流准Z源DC-DC变流器，在输入直流电源和负载之间采用准Z源网络连接，其主电路结构如图2所示。其中准Z源网络包含由2个电感（L1和L2）和2个电容器（C1和C2）以及双向电力电子开关构成的网络。U42为汽车起动机/发电机经整流器产生的直流电压，R42为42 V用电负载，高压侧蓄电池额定电压为36 V，电容器C42具有维持输入电压稳定的作用，U14为经双向DC-DC变流器转换后的低压侧直流电源，低压侧蓄电池电压为12 V，R14为14 V用电负载，C14为低压侧电容，具有滤波的作用［7］。

双向功率流DC-DC变流器在汽车双电压供电系统中有着非常关键的作用，它不仅可以把42 V直流电降压为14 V直流电向低压侧供电，而且当高压侧能量不足或出现故障时，低压侧蓄电池还能经双向DC-DC变流器向高压侧提供能量，通过控制导通占空比的大小，即可得到高压侧适用的直流电压。

图2　双电源供电系统双向准Z源DC-DC变流器主电路拓扑

4　双向功率流准Z源DC-DC变流器拓扑工作模式

4.1正向工作模式

电感L1和L2具有相等的电感量，电容器C1和C2具有相等的电容量，故准Z源网络对称，由电路的对称性和等效性可知［8］：

式中，UL1、UL2、UC1、UC2分别为开关V1导通时电感L1、L2和电容器C1、C2两端电压；U′L1、U′L2、U′C1、U′C2分别为开关V2导通时电感L1、L2和电容器C1、C2两端电压。

当功率流正向传输时，2个MOSFET开关器件V1和V2采取互补导通方式，其等效电路如图3a。在1个开关周期T内，开关V1导通的时间为t1=DT，式中D为占空比。假设电容器C1和C2的电流参考方向向上，则

式中，Ui为输入电压；UL为电感L两端电压。

在1个周期T内，开关V2导通的时间为t2=（1-D）T，其等效电路如图3b，则

式中，Uo为输出电压。

根据稳态电感磁通守恒定律，1个电源周期t2内，电感L两端电压UL对时间的积分为0，则

将式（1）～式（3）带入式（4），得

图3　功率正向等效电路

4.2反向工作模式

当功率流反向传输时，V1和V2采取互补导通方式，其等效电路如图4a。在1个开关周期T内，开关V1导通的时间为t1=DT，则

在1个周期T内，开关V2导通的时间为t2=（1-D）T，其等效电路如图4b，则

图4　功率反向等效电路

根据稳态电感磁通守恒定律，1个电源周期t2内，电感L两端电压UL对时间的积分为0，则

将式（1）、式（6）、式（7）带入式（8），得

综上所述，对于本文所提出的双向功率流准Z源DC-DC变流器拓扑，根据电流方向切换其工作模式即可实现能量的双向流动，通过改变占空比可得到任意输出电压。

5　电压增益关系式验证

根据双向准Z源DC-DC变流器的功率正向和反向的电压增益公式，利用Matlab/Figure绘制了输入电压、导通占空比以及输出电压的三维曲线，如图5所示。图5a为功率正向降压工作模式，输出电压随着占空比的减小而减小，取D=0.399 4、Ui=41.82 V，可得Uo= 14.01 V；图5b为功率反向升压工作模式，输出电压随着占空比的增大而增大，取D=0.399 4、Ui=14.04 V，可得Uo=41.91 V。由图5可知，本文提出的双向DC-DC变流器因具有较宽范围的输入电压而可以保证输出电压的稳定性，只需设定导通占空比D=0.4左右，就可以完成汽车42 V/14 V双电源供电系统中电压的相互转换，既能够充分利用功率器件，又可保证器件不致过度发热，提高了电路的可实现性和稳定性。本文采用SG3525PWM控制器，占空比调节范围为0～0.5，并可精确到0.001左右，以电压14 V转42 V为例，输出电压可控制在41.65～42.35 V，在实际应用误差范围内。

图5　双向准Z源DC-DC变流器电压增益三维曲线

6　与传统非隔离型双向Buck-Boost的性能对比

6.1电压增益对比

根据传统非隔离型双向Buck-Boost直流变换器的电压增益公式以及双向准Z源DC-DC变流器的电压增益公式，利用Matlab/Figure软件绘制了电路拓扑电压增益与导通占空比曲线，如图6所示。在0＜D＜0.5条件下，双向准Z源DC-DC变流器正向QZC为降压阶段，反向QZC为升压阶段，反向QZC理论上可以实现无限高的输出电压，且在同样占空比条件下双向准Z源直流变流器的输出电压远远高于正向Buck-Boost变换器，这样系统可以获得较高的电压而开关导通时间较短，有利于功率开关器件的散热，提高了系统的工作效率［9］。

图6　电压增益与占空比的关系

6.2开关电压应力的对比

对具有同样的输入、输出电压、负载、开关频率的2种不同的电路拓扑，功率开关器件承受的电压应力也有所不同［9］。假设双向准Z源DC-DC变流器和传统非隔离型双向Buck-Boost变换器的输入电压均为Ui，输出电压均为Uo，且令传统非隔离型双向Buck-Boost变换器主开关器件的占空比分别为D1和D2，通过计算即可得到拓扑功率开关的电压应力以及开关导通比，如表2所示。

表2　拓扑开关电压应力对比

由表2知，当2个电路拓扑工作在功率正向状态时，由于正向Buck-Boost变换器的输出电压与电源电压极性相反，所以本文所提出的双向准Z源直流变流器在正向QZC工作状态时，主功率开关V1具有较小的开关电压应力。此外，由于本文所提出的新型直流变流器设置了独特的准Z源网络，电路具有较高的可靠性，可以保持电感电流连续工作模式，同时可避免双向电力电子开关器件共态导通或共态关断时损坏电力电子器件。

7　试验样机结果验证

为了验证理论分析的正确性，构建了试验样机电路模型，对本文的双向功率流准阻抗源DC-DC变流器在电感电流连续模式下进行了开环试验验证。因42 V/14 V汽车双电源供电系统中开关电压等级为30～100 V，为满足开关器件的耐压参数以及减少开关器件的功率损耗，选择型号为FQA38N30的MOSFET开关器件。试验样机电路采用PWM的控制策略，通过控制器SG3525产生2路互补的PWM控制信号，分别控制V1、V2的开通与关断，其他参数如表3所示。

表3　双向准Z源DC-DC变流器试验参数

功率正向流动时，交流电经整流桥KBPC5010后接稳压电容C42，得到输入直流电压Ui=41.7 V，通过调节控制器SG3525使占空比D≈0.4，即得到汽车14 V电压，测得的试验电压波形如图7所示。

功率反向流动时，输入直流电压Ui=14.1 V，只需保持占空比D≈0.4不变，即可得到42 V输出电压，测得试验波形如图8所示。

图7　42 V转14 V试验电压波形

图8　14 V转42 V试验电压波形

由图7a和图8a结果可知，本文提出的新型双向DC-DC变流器可完成汽车双电源42 V与14 V电压的相互转换，且输出电压与理论值相差不大。图7b、图7c和图8b、图8c中双向开关器件的压降都在70 V左右，符合MOSFET开关器件的耐压范围。由于受开关内阻等因素的影响，输出电压结果与理论值存在一定的差异，但试验与理论结果在误差允许范围内，不影响系统的正常工作状态。

参考文献

1纪新宇.汽车42 V/14 V电气系统关键技术研究［学位论文］.重庆：重庆大学，2007.

2李鑫.汽车42 V/14 V电源管理系统研究［学位论文］.重庆：重庆大学，2008.

3王丰，炒敏，李晶，等.双向DC-DC变换器在汽车双电压系统中的应用研究.中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会，杭州，2008.

4彭方正，房绪鹏，顾斌，等.Z源变换器.电工技术学报，2004，19（2）：47～51.

5Cao D，Peng F.A family of Z-source and quasi-Z-source dc-dc converter.in Proc.IEEE Applied Power Electronics Conference，Washington，DC，2009.

6Yang L，Qiu D，Zhang B，et al.A quasi-Z-source DC-DC converter.Energy Conversion Congress and Exposition，Pittsburg，2014.

7炒敏，卓放，王丰，等.下一代双电压汽车用能量双向馈送DC-DC变换器.电源世界，2008（9）：24～27.

8王利民，钱照明，彭方正.Z源升压变换器.电气传动，2006，36（1）：28～29，32.

9王利民，钱照明，彭方正.Z源直流变换器.电气应用，2005，24（2）：123～124，49.

（责任编辑斛畔）

修改稿收到日期为2016年5月6日。

中图分类号：U463；TM46

文献标识码：A

文章编号：1000-3703（2016）07-0012-05

*基金项目：山东科技大学研究生创新基金项目（YC140337）。

Research on a Novel Bi-directional DC-DC Converter for Vehicle Double-power Supply System

Fang Xupeng，Zhuang Jianwei，Li Hui，Xu Yulin
（Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590）

【Abstract】To solve the problem of power flow distribution and energy bi-directional feed in the vehicle doublepower supply system，and eliminate the defect of traditional non-isolated bidirectional Buck-Boost converter，the paper proposes a novel bidirectional power flow DC-DC converter with unique quasi-Z-Source network that can improve the power conversion efficiency and the ability of resistance to electromagnetic interference of bidirectional DC-DC converter and analyzes the bidirectional working principle and process of this novel topology.The experimental results show that the novel bidirectional DC-DC converter can not only realize the bidirectional power flow，but also its each power flow direction possesses the function of buck-boost and its voltage gain is higher.In addition，this new type DC-DC converter has advantages of small volume，light weight，low cost and provide conditions for reducing the power cost and the automobile space.

Key words:Double-power supply system，Bidirectional DC-DC converter，Quasi-Z-source network，Bidirectional power flow