一种新型双向DC-DC变换器

房绪鹏，　庄见伟，　李辉

(山东科技大学 电气与自动化工程学院， 山东 青岛　266590)



一种新型双向DC-DC变换器

房绪鹏，庄见伟，李辉

(山东科技大学 电气与自动化工程学院， 山东 青岛266590)

针对传统Buck-Boost变换器存在的输出电压有限、稳定性较差、增益较低等问题，设计了一种采用Z源网络连接直流输入电源和负载的新型双向DC-DC变换器，分析了该新型变换器在功率正向传输和功率反向传输时的工作过程。实验结果表明，该新型变换器能够实现功率双向传输，且在2种功率传输模式下都能实现升压、降压功能；与传统Buck-Boost变换器相比，该新型变换器输出电压更稳定，电压增益较高。

蓄电池机车； 双向DC-DC变换器； 功率双向传输；Z源网络

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160902.1015.012.html

0　引言

当今科学技术日益发展，直流电源系统发展迅速，在各种场合中的应用越来越普遍，要求也越来越高[1]。如何设计开发出更小体积、更低成本、更高性能的DC-DC变换器，是当今电源技术研究的主题。

传统的Buck-Boost变换器实际输出电压有限，稳定性较差，电压增益较低，安全性、可靠性较低，制约了其发展。本文提出一种新型双向DC-DC变换器，与传统的单向Buck-Boost变换器相比，其可在一个电路拓扑结构中完成能量双向流动，现场操作方便，减小了部件体积，节省了造价，提升了能量转换率[2-3]。该新型双向DC-DC变换器设置了独特的Z源网络，具有变压精度高、抗电磁干扰能力强、输出电压稳定性强等优势，且具有很高的可靠性和安全性，可避免MOSFET功率开关共态导通或共态关断时损坏电力电子器件。

蓄电池机车是煤矿井下的主要动力设备，负责人员、物料运输。蓄电池机车一般由车载550V蓄电池供电。电源经逆变器、高频变压器和整流装置降压后，可为机车上的24V低压用电设备，如照明、电笛、通信、综合检测保护装置及其他控制设备提供电能[4]。当机车停电或发生故障时，低压用电设备也会断电，给井下生产造成不便。为了避免该种情况，在蓄电池机车中加入新型双向DC-DC变换器，如图1所示。该DC-DC变换器正向工作时,将低压用电设备两端的直流电源降压为适用于12V蓄电池两端充电的电压；当机车停电或发生故障时，12V蓄电池放电，经DC-DC变换器升压后为24V低压用电设备供电。这使得低压用电设备供电不间断，即使出现异常情况也能正常工作。

图1　井下蓄电池机车供电结构

1　新型双向DC-DC变换器拓扑结构

新型双向DC-DC变换器在输入直流电源和负载之间采用Z源网络进行连接[5]，如图2所示，其中虚线框内为双向DC-DC变换器拓扑结构。该新型双向DC-DC变换器输入可为任意类型直流电源，输出采用蓄电池组储能，功率正向传输时可给蓄电池组充电，功率反向传输时蓄电池组可为直流负载提供电能。图2中Z源网络是由2个相同电感(L1，L2)和2个相同电容(C1，C2)组成的X形网络，双向电力电子开关(V1，V2)采用MOSFET或IGBT/Diode开关器件。

图2　新型双向DC-DC变换器拓扑结构

2　新型双向DC-DC变换器工作原理

2.1功率正向传输时变换器工作过程

由于L1，L2具有相等的电感量，C1，C2具有相等的电容量，所以Z源网络对称。由电路的等效性和对称性得[6]

(1)

当功率正向传输时，变换器拓扑结构左端输入为直流电源，为低压用电设备R供电；右端输出为蓄电池充电。V1，V2采取互补导通方式，有2种工作模式。

工作模式1：任意直流电源向电感L3充电，L1，L2对C1，C2供电，C4向蓄电池充电，等效电路如图3(a)所示。设在1个开关周期T内，V1导通的时间为DT(D为V1的占空比)，则

(2)

式中：Ui为输入电压；UL3为V1导通时L3两端电压。

(a) 工作模式1

(b) 工作模式2

工作模式2：任意直流电源向L1，L2充电，C1，C2放电，直流电源协助Z源网络向C4和蓄电池充电，等效电路如图3(b)所示。设在1个开关周期T内，V2导通的时间为(1-D)T，则

(3)

根据稳态电感磁通守恒定律，1个开关周期内，L1的平均电压为0，则

(4)

将式(1)—式(3)代入式(4)，得

(5)

即

(6)

1个开关周期内，L3的平均电压也为0，则

(7)

将式(2)—式(6)代入式(7)，得

(8)

即

(9)

2.2功率反向传输时变换器工作过程

对于对称的Z源网络，当功率反向传输时，右端输入为蓄电池放电，左端输出为低压用电设备R供电。V1，V2采取互补导通方式，有2种工作模式。

工作模式3：蓄电池与Z源网络隔离，C1，C2向L1，L2提供能量，L3给C4和直流负载供能，等效电路如图4(a)所示。设在1个开关周期T内，V1导通时间为DT，则

(10)

工作模式4：蓄电池向C1，C2充电，L1，L2放电，蓄电池协助Z源网络中的L1和L2向C4及低压用电设备R供能，等效电路如图4(b)所示。在1个开关周期T内，V2导通时间为(1-D)T，则

(11)

将式(1)、式(10)、式(11)代入式(4)，得

(12)

(a) 工作模式3

(b) 工作模式4

即

(13)

将式(1)、式(10)、式(13)代入式(7)，得

(14)

即

(15)

3　2种变换器性能比较

从电压增益、开关电压应力2个方面对传统Buck-Boost变换器和新型双向DC-DC变换器进行比较。

3.1电压增益

根据传统Buck-Boost变换器和新型双向DC-DC变换器的电压增益公式，采用Matlab/Figure软件绘制2种变换器电压增益曲线，如图5所示。可看出0

3.2开关电压应力

具有相同输入、输出电压，相同负载的2种电路拓扑结构，其功率开关器件承受的电压应力也会有所不同[7]。假设新型双向DC-DC变换器及传统Buck-Boost变换器的输入电压为Ui，输出电压为U0，通过计算可得2种变压器功率开关器件的电压应力，见表1。

图5　2种变换器电压增益曲线

表1　2种变换器功率开关器件的电压应力比较

由于传统Buck-Boost变换器输出与电源极性相反的电压，而新型双向DC-DC变换器电源极性与输出电压极性相同，根据表1数据可知，新型双向DC-DC变换器具有较小的开关电压应力，可减小开关器件的发热程度，提高开关器件的使用寿命。

4　实验测试

为了验证理论分析的正确性，根据图1和传统Buck-Boost变换器拓扑结构构建了2套样机，在CCM工作模式下进行了开环实验[8]。样机采用FDA59N30型MOSFET开关器件、KS130125A/6A型铁硅铝磁环电感，其余元器件参数见表2。样机输入信号采用PWM控制策略，通过TMS320F2812开发板产生互补的控制信号，控制MOSFET开关器件的导通与关断来实现升、降压，通过调节占空比可得任意所需的输出电压。

表2　样机元器件参数

新型双向DC-DC变换器功率正向传输时，向12V蓄电池充电，交流电源220V由20V变压器经整流滤波后得到直流电源Ui=24V，调节PWM信号，使占空比D=25%，降压后即得到适于为蓄电池充电的电压。对于传统的Buck-Boost变换器，输入电压Ui=24V时，采用1路PWM信号，调节占空比D=40%，即可得到与功率正向传输时相同大小的输出电压，但输出电压与电源极性相反，实验波形如图6所示。

图6　蓄电池两端电压波形

从图6可看出，在具有相同大小的输入、输出电压，相同负载条件下，与传统Buck-Boost变换器相比，新型双向DC-DC变换器输出电压毛刺较少，稳定性较强，电压质量较高。

新型双向DC-DC变换器功率反向传输时，蓄电池放电，用数字万用表测得蓄电池两端输出电压U0=13.8V，调节占空比D=30%，经新型双向DC-DC变换器升压后即得到适用于负载工作的电压，实验波形如图7所示。

图7　新型双向DC-DC变换器功率反向传输时负载两端电压波形

从图6、图7可看出，新型双向DC-DC变换器可以实现功率的双向传输，且能得到系统工作要求的输出电压，完成了功率转换。受开关管内阻等因素影响，新型双向DC-DC变换器输出电压与理论值存在一定误差，但误差在允许范围内，验证了理论分析的正确性。

5　结语

分析了新型双向DC-DC变换器2个功率传输方向的工作原理，构建了实验样机。实验结果表明，该新型双向DC-DC变换器与传统Buck-Boost变换器相比，具有较高的电压增益，输出电压更稳定，可实现功率双向传输，且每一功率传输方向均能实现升压、降压。

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[4]梁喆, 欧阳名三.基于SG3525矿用直流变换器控制电路的设计[J].电源技术, 2012, 36(2):245-247.

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A novel bidirectional DC-DC converter

FANG Xupeng,ZHUANG Jianwei,LI Hui

(CollegeofElectricalEngineeringandAutomation,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)

ForshortagesoftraditionalBuck-Boostconverterssuchaslimitedoutputvoltage,poorstability,lowvoltagegainandsoon,anovelbidirectionalDC-DCconverterwasdesignedwhichusedZ-sourcenetworktoconnectDCinputpowerandload.Workingprocessofthenovelconverterwasanalyzedduringpowerforwardtransmissionandpowerreversedtransmission.Theexperimentalresultsshowthatthenovelconverternotonlyrealizesbidirectionalpowertransmission,butalsorealizesvoltageliftingandfallingunderpowerforwardtransmissionmodeorthereversedone.Inaddition,thenovelconverterhasmorestableoutputvoltageandhighervoltagegainthantraditionalBuck-Boostconverter.

locomotivedrivenbystoragebattery;bidirectionalDC-DCconverter;bidirectionalpowertransmission;Z-sourcenetwork

1671-251X(2016)09-0052-05DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.09.012

2016-01-03；

2016-07-20；责任编辑：李明。

中国博士后科学基金资助项目(20090461254)。

房绪鹏(1971-)，男，山东汶上人，副教授，博士，研究方向为阻抗源变流器及其应用、现代电力电子技术在电气传动和新兴能源利用方面的应用等，E-mail：xpfang69@163.com。

TD611

A网络出版时间：2016-09-02 10:15

房绪鹏，庄见伟，李辉.一种新型双向DC-DC变换器[J].工矿自动化，2016,42(9)：52-56.