用于電動(dòng)汽車的多重化軟開關(guān)雙向DC/DC變換器的研究

為了使多重式結(jié)構(gòu)變換器的每個(gè)基本單元在其他單元發(fā)生故障時(shí)仍能繼續(xù)獨(dú)立工作，每個(gè)基本單元變換器擁有獨(dú)立的PWM發(fā)生模塊。
2 軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)條件
本文利用DCM運(yùn)行下電感電流反向和互補(bǔ)開關(guān)，沒有額外的半導(dǎo)體器件。變換器電感與開關(guān)的并聯(lián)小電容在死區(qū)時(shí)間內(nèi)相互配合，使兩電容能量相互交換，以達(dá)到軟開關(guān)目的。
若使變換器在boost模式與buck模式均達(dá)到軟開關(guān)目的，首先應(yīng)滿足DCM運(yùn)行基本條件；另外，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，電感電流要具有抽取電容電能，以使兩電容能量可以交換。以boost模式為例，DCM模式運(yùn)行基本條件：

由式(2)、(3)得知，在兩個(gè)死區(qū)時(shí)間相同情況下，只需滿足反向電感電流的軟開關(guān)條件，正向電感電流的軟開關(guān)條件也會(huì)得到滿足。
由式(3)得知，在不同負(fù)載下，電感L的平均值IL不同，因此反向電感電流峰值也不同。為使變換器在不同功率下設(shè)置的死區(qū)時(shí)間不變，且均可達(dá)到軟開關(guān)目的，在電感電流平均值最大時(shí)Imax L(即滿負(fù)載)，得出的電感電流反向最大值I-max即為在不同功率下的最小值。若死區(qū)時(shí)間滿足滿負(fù)載下的軟開關(guān)條件，則一定滿足不同功率下軟開關(guān)的條件。
3 仿真驗(yàn)證
針對(duì)電動(dòng)汽車在運(yùn)行過程中駕駛員的頻繁加速、減速及起動(dòng)、制動(dòng)等操作，為了驗(yàn)證上述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性，進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，所用參數(shù)如表1所示。

(1)變換器在t=0.025 s時(shí)，負(fù)載功率由2P/3突變?yōu)闈M負(fù)載P，模擬電動(dòng)汽車加速運(yùn)行。當(dāng)t=0.15 s時(shí)，電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)t=0.025 s時(shí)，電壓因負(fù)載突變；而t=0.007 5 s時(shí)，很短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)給定電壓，電流也快速達(dá)到另一穩(wěn)態(tài)。本文電流內(nèi)環(huán)采用三個(gè)獨(dú)立的PWM發(fā)生器，具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
(2)變換器升壓工作時(shí)，以第三個(gè)基本單元為例，在負(fù)載功率為2P/3下主開關(guān)Sd3，輔助開關(guān)Su3，及各自并聯(lián)二極管FWDd3、FWDu3的仿真波形及電感電流波形如圖4所示。采用此種控制性軟開關(guān)技術(shù)，使主開關(guān)、輔助開關(guān)以及兩并聯(lián)二極管在不同負(fù)載下其電壓、電流錯(cuò)位，即均可達(dá)到軟開關(guān)效果。采用三重交錯(cuò)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電感電流紋波減小到原來的三分之一，有效彌補(bǔ)了DCM運(yùn)行模式紋波大的缺陷。

本文采用多重半橋式雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用DCM模式下電感電流反向的特點(diǎn)，以反方向運(yùn)行時(shí)主開關(guān)為輔助開關(guān)，沒有額外添加半導(dǎo)體器件。實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)的零電壓開通和零電流關(guān)斷，輔助開關(guān)的零電壓開通、零電流關(guān)斷，以及主開關(guān)與輔助開關(guān)并聯(lián)二極管的零電壓導(dǎo)通、零電流關(guān)斷，提高了整體變換器效率。使得多重交錯(cuò)式結(jié)構(gòu)有效減小了電感電流紋波。在控制方式上采用共用一個(gè)電壓環(huán)，即共用一個(gè)電感電流參考值，解決了并聯(lián)結(jié)構(gòu)的均流問題，三個(gè)獨(dú)立的電流內(nèi)環(huán)加快了變換器的響應(yīng)速度、提高了安全性。本文分析了此變換器的工作原理、控制策略，并對(duì)其進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析的正確性與可行性。
參考文獻(xiàn)
[1] SCHUPBACH R M，BALDA J C．Comparing DC-DC converters for power management in hybrid electric vehicles[C]．IEEE International Electric Machines and Drives Conference，2003．
[2] 陳明，汪光森，馬偉明，等．多重化雙向DC-DC變換器電流紋波分析[J]．繼電器，2007，35(4)：66-70．
[3] Xu Haiping，PENG F Z，Li Kong．Multi-phase DC-DC converter with bi-directional power flow ability for
distributed generation system[C]．Power Electronics Specialists Conference，2008．
[4] HA D H，PARK N J，LEE K J，et al.Interleaved bidirectional DC-DC converter for automotive electric systems[C]．Conference Record-IAS Annual Meeting．2008.
[5] Huang Xudong，Wang Xiaoyan，F(xiàn)ERRELL．J，et al.Parasitic ringing and design issues of high power interleaved boost converters[C]．Power Electronics Specialists Conference，2002．
[6] 顧亦磊，陳世杰，呂征宇，等．控制型軟開關(guān)變換器的實(shí)現(xiàn)策略[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(6)：55-59．
[7] 徐德鴻．電力電子系統(tǒng)建模及控制[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.