一种新型零电压切换双向DC/DC变换器的设计与仿真

甘家梁 熊曾刚 刘桂涛 万兴

摘  要： 由于电动汽车电源变换器在行驶过程中，电机的调速范围很宽，加减速频繁，因此对电源变换器的动态响应速度，续航能力提出了更高的要求。但汽车电源存在低电压大电流、[didt]和[dudt]较大、转换效率低和电磁干扰严重等问题。为此，设计一种新型的具有升压?降压功能的零电压转换双向DC?DC变换器。在传统的升降压变换器的基础上，通过增加两个辅助开关器件和一个LC谐振电路，构成一个H?软开关控制转换电路，产生的有源钳位电压加载到主开关两端，实现电路零电压转换。在Matlab环境下，对所提出的电路进行仿真，结果表明，所设计的电路能降低开关器件的导通损耗，提高电源的效率，并在6 kW双向升降压变换器样机上进行实验。

关键词： 电动汽车; 电源变换器; 零电压切换; DC?DC变换器; 谐振电路; 有源钳位电压

中图分类号： TN86?34; TM46                    文献标识码： A                    文章编号： 1004?373X（2019）10?0092?05

Design and simulation of a novel bidirectional DC/DC converter with

zero voltage transition function

GAN Jialiang， XIONG Cenggang， LIU Guitao， WAN Xing

（School of Computer and Information Science， Hubei Engineering University， Xiaogan 432100， China）

Abstract： Since the motor has wide speed regulation range and frequent acceleration and deceleration during the driving process of electric vehicle， it is required that the power converter should have faster dynamic response and higher cruising ability. However， the automotive power supply has the problems such as low voltage with large current， large di/dt， large du/dt， low conversion efficiency and serious electromagnetic interference. Therefore， a novel bidirectional DC/DC converter with the zero voltage transition （ZVT） and buck?boost voltage functions is designed. Two auxiliary switching devices and an LC resonance circuit are added on the basis of the conventional buck?boost voltage converter to constitute an H?soft switching control conversion circuit. The generated active?clamp voltage is loaded to the two ends of the master switch， so as to realize ZVT of the circuit. The proposed circuit was simulated in the Matlab environment. The results show that the designed circuit can reduce the conduction loss of switching devices and improve the efficiency of power supply. It was tested on the prototype of the 6 kW bidirectional buck?boost voltage converter.

Keywords： electric vehicle; power converter; zero voltage transition; DC/DC converter; resonance circuit; active?clamp voltage

0  引  言

如何提高电动汽车蓄电池的使用寿命和效率，一直是生产厂家和使用者关注的问题，也是业界研究的热点。电动汽车的启动、调速、上下坡制动行驶过程是通过调节DC?DC变换器直流母线电压实现的，并在电动汽车突然制动时将制动能量回馈到蓄电池中，有利于电源整体效率的提高[1?3]。电动汽车蓄电池的电压一般较低，而汽车在行驶过程中启动、加减速頻繁，特别是在启动和制动过程期间，其瞬时功率可达数千瓦，这就要求电源变换器具有低电压大电流特性，同时要求电源变换器动态响应快，来满足汽车频繁启动的特点，要求电源转换效率高，满足电池在一个充电周期内有更长的续航能力的要求[4?5]。本文提出一个具有升压?降压（Buck?Boost）双向DC?DC变换器。在传统的升降压变换器中，通过增加两个辅助开关器件和一个LC谐振电路，构成一个H?软开关控制转换电路，形成有源钳位到主开关，实现电路零电压转换（Zero Voltage Transition，ZVT）[6?8]。在Matlab环境下，对所提出的电路进行了仿真，验证了所设计的电路能降低开关器件的导通损耗，提高了电源的效率，并在6 kW双向升降压变换器样机上进行了实验。

1  软开关控制DC?DC变换器电路设计与工作原理分析

考虑到电动汽车蓄电池储能体积及成本，其端电压一般低于驱动电机的工作电压，在汽车启动和加速时，双向变换器具有升压斩波能力，将蓄电池端电压通过变换器升至驱动电机的正常工作电压范围内，当运行在减速制动状态时，将制动回馈的能量通过变换器降压电路给超级电容充电。为了降低变换器在频繁的工作过程中，开关电子器件的功率损耗，延长电池的续航时间[9?12]。参考文献[1]，在传统的升降压硬转换电路上，增加两个辅助开关器件和一个LC谐振网络，构成一个H?软开关控制非隔离式升降压DC?DC转换电路。图1为设计的零电压过度双向DC?DC变换器，其电路由输入电感[Lin]、两个主开关（[S1]，[S2]），谐振电感（[Lr]）谐振电容（[Cr]），外加辅助开关器件[Sa]和[Sb]构成。该变换器可以工作在升压和降压模式，不论在升压或降压运行模式，只需使用一个辅助开关（[Sa]，[Sb]）来实现MOSFET（[S1]，[S2]）的软启动。

图2给出了该变换器主开关[S1]，[S2]和辅助开关[Sa]，[Sb]控制信号的波形，工作在一周期内的主辅开关器件的理想的工作波形。

图1  ZVT双向升降压DC?DC变换器原理图

升压和降压模式在一个周期内，从t0～t6分为五个工作时间段。升压模式的电流等效电路如图3所示，降压模式的工作分别如图4所示。

图2  Buck（升压）模式下电路的波形

1.1  升压模式下双向DC?DC变换器工作原理分析

谐振过程是软开关工作过程中最重要的部分，下面以转换电路工作在升压模式下，对其各时段的谐振过程进行原理和定量分析，电路原理图如图1所示，结合图2电路工作时的波形，图3电路所示的升压模式下各工作阶段电路的工作过程中等效电流的流向。在分析过程中，假设电感L和电容C很大，可以等效为电流源和电压源，并忽略电路中的损耗。开关电路的工作过程是按开关周期重复进行的，选择开关S关断时刻为起点，分阶段分析电路的工作过程。

[t0～t1]时段：[ t0]时刻之前，开关[S2]导通，[iLr=0]，[vCr=0];[t0]时刻，辅助开关[Sb]先于主开关[S2]导通，[vi]通过电感[Lin+Lr]向电容[Cr]充电，[uCr]线性上升，过后，谐振电感[Lr]和谐振电容[Cr]处于谐振状态，[S2]两位的电压以正弦形式变化，从0变到最大，然后在[t1]上变为零，并且谐振电容[Cr]的电压达到零，以实现主开关[S2]的软转向，因此[S2]的关断损耗减小。

[t0～t2]时段：对于升压和降压运行模式，其电路谐振过程的方程为：

[iLin=1Lint0t1（Vs-Vo）dt=1LinVs-Vot+IiLr=1Lrt0t1（Vo-Vs）dt=1LrVo-VstVCrt1=0，iLinti=IM，iLrt1=ILr]   （1）

式中：[Vs]是变换器的电压源。当工作在升压模式下时，[Vs]为[V1]，如图2所示;当工作在降压模式下时，[Vs]为[V2]，如图4所示;[Vo]是加载在负载上的输出电压，当t=0时，i（0）=0。

[t1～t2]时段：[ t1]开始，谐振电流通过辅助开关[Sb]和[VD2]续流。[t2]结束时，反并联二极管停止导通，其电流从负到零。在[t1～t2]时段，电源的输出电流[iLin]，谐振回路的谐振电感[Lr]电流和谐振电容[Cr]电压之间的关系表示为：

[iLin=1LinVst+iS1VCrt=VoiLrt2=iS1，iLrt2≈ISa]  （2）

[t2～t3]时段：主开关[S2]开通，电容器[Cr]端电压[uCr]被钳位于零，而电流[iLr]保持不变，这种状态一直保持在[t3]时刻，辅助开关[Sb]关断。在[t2～t3]期间，谐振电路中电感[Lr]和电容[Cr]的电压和电流表示如下：

[iLin=1LinVst+iS1VCrt=0iLrt=0]   （3）

[t3～t4]时段：[t3]时刻主开关[S2]导通，其两端电压为0，因此没有开关损耗;输入电感[Lin]的能量通过[S2]形成回路，[Cr]的电压被充电至输出电压，然后分别放电至零，在[t4]时刻，主开关自然关断。在[t3～t4]期间，输入电感，谐振电感电流和谐振电容（Cr）电压表示如下：

[iLin=1LinVs-Vot+iS2VCrt=0iLrt=0]   （4）

[t4～t5]時段：[t4]时刻，所有的开关都处于关断状态，输出功率通过[Lin]与[S1]并联的二极管[VD1]传输至负载电阻[Ro]。在谐振电路工作中，谐振电容的端电压[VCr]输出峰值等于输出电压[Vo]。因此，根据这个特点可以得到电路的阻抗、谐振频率等技术指标。电路的阻抗为 [Z=LrCr]，谐振角频率为 [ω=1LrCr]，谐振频率为 [f=ω2π]。

1.2  降压模式下双向DC?DC变换器工作原理分析

类似地，降压模式工作过程与工作原理也与升压模式相同。在降压模式下，所有阶段都通过开关[S1]和[Sa]来控制。在[t0～t4]时段间，降压模式工作过程被分成4个时段。在[t0]时刻，在开关[S1]之前的短时间内，辅助开关[Sa]导通，以实现零电压转换。 在[t0～t3]时段内，工作在降压模式下的工作过程与工作在升压模式类似。在[t2]时刻，开关[S1]实现了零电压导通转换。在[t3]时刻，开关[Sa]截止并且[S1]导通，则输出功率通过[S1?Lin?R]传输到负载，直到时间[t5]为止。在 [t5～t6]时间段内，不会有输出功率输出到负载。

2  仿真结果

在Matlab/Simulink环境下，对所设计的软开关控制变换器进行仿真。器件的参数分别为输入电感[Lin=100 μH]，谐振电容[Cr=10 nF]，谐振电感[Lr=2 μH]，输出电容[Co=470 μF]，转换器仿真工作频率设置在30 kHz，分别对电路工作在升压和降压模式都进行仿真。

表1列出电路工作在两种不同模式下，各开关在各时段的工作状况，仿真时设置PWM控制主开关[S1]，[S2]和辅助开关[Sa]，[Sb]的信号的占空比分别为0.5和0.1。

当该变换器在升压模式下工作，电源的输入电压为200 V，输出电流为6 A时，选通信号控制开关[S2]和[Sb]。在[S2]导通之前，辅助开关[Sb]是工作在导通状态，通过接通[Sb]，实现主开关[S2]的零电压转换。图5是主开关和辅助开关工作时软转向的电流电压关系图。

图5  电路工作在升压模式下主开关[S2]和辅助开关[Sb]

图6  工作在升压模式下ZVT电路的仿真波形

图6为软开关谐振电路电容[Cr]的端电压、流过电感[Lr]的电流以及主开关管[S2]、辅助开关[Sb]的源极?漏极工作时的电压电流波形。图7为变换器此时的输出电压和电流分别为400 V和16 A的波形。图8为软开关谐振电路电容[Cr]的端电压、电感[Lr]的电流以及主开关管[S1]、辅助开关[Sa]的源极?漏极工作时的电压电流波形。图9为变换器此时的输出电压为200 V和输出电流为39 A的波形。

图7  升压模式下的输出电压和电流波形

图8  工作在降压模式下ZVT电路的仿真波形

3  结  语

本文介绍一种新型用于电动汽车电池系统的零电压过渡双向DC?DC变换器的设计和仿真分析，提出在传统的升降压硬转换电路上，增加两个辅助开关器件和一个LC谐振电路，构成一个H?软开关控制非隔离式升降压DC?DC转换电路，实现主辅开关零电压导通和反并联二极管零电流关断，分析了此转换电路在不同工作模式下的工作原理和动态模型，并在Malab环境下对电路进行了仿真分析。

图9  转换电路工作在降压模式下的输出电压和电流波形

從结果上看，在升压模式下，效率达到了预期效率的97.5%;降压模式下，效率达到了预期效率的98.2%。所提出的变换器具有降低开关的导通损耗，提高电源的利用效率，并顺利通过了6 kW软开关控制双向DC?DC变换器的样机实验，验证了所提出的电动汽车电池系统软开关切换策略的有效性和可靠性。

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