引言
在許多場合下,,需要有能將直流電源進行雙向變換的裝置,以燃料電池為能源的電動車驅(qū)動系統(tǒng),,就是一例,。在該系統(tǒng)中,同時具有普通酸鉛蓄電池和燃料電池,,普通酸鉛蓄電池作為車輛冷起動動力,,提供12~24V的低電壓電源。起動后,,用燃料電池提供150~300V的車輛驅(qū)動電壓,。因此,在電動車起動時,,要求能將普通蓄電池輸出的12~24V直流電壓提升到150~300V,,以起動系統(tǒng)開始工作。當系統(tǒng)進入正常工作后,,用燃料電池的電能,,對酸鉛蓄電池進行充電,以恢復(fù)電池的能量消耗,。雙向DC-DC電源也可用于供電系統(tǒng)的直流操作電源中,,供電系統(tǒng)的直流操作電源,通常用蓄電池作為后備電源,,當使用雙向直流變換電源后,,可有效地減少后備電池的數(shù)量。對雙向直流電源通常要求其具有高效,、隔離,、低輻射等特點,同時也要求電路結(jié)構(gòu)簡單,,易于控制,。
系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理
雙向直流變換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,高頻變壓器T兩側(cè)的電源電壓不同,電源能量能進行雙向傳送,。從電路結(jié)構(gòu)看系統(tǒng)具有以下特點,。
圖1 DC-DC雙向變換電路結(jié)構(gòu)圖
電路的特點
用變壓器作為隔離高、低壓側(cè)分別有既可整流又可逆變的變流裝置,。用IGBT或MOSEFT管作為開關(guān)器件構(gòu)成橋式或半橋式整流逆變電路,。若在圖1的整流逆變或逆變整流框中,用全橋電路代換之,,則得到雙向DC-DC變換器主電路,,如圖2所示。為充分發(fā)揮電路的功能,,在高頻變壓器的右側(cè)接入一個電感Lk,,用作電壓提升??紤]到在保持功率平衡的條件下,,需低壓側(cè)提供較大的電流,低壓側(cè)的電壓波動對高壓側(cè)電壓的穩(wěn)定影響較大,,因此在高壓側(cè)接入儲能電感,這樣控制輸出電壓的效果更好,。正常情況下的能量流向是,,從高壓側(cè)向低壓側(cè)方向,低壓側(cè)的蓄電池處于充電狀態(tài),,另外低壓側(cè)負載需要消耗一定的能量,。當能量從低壓側(cè)向高壓側(cè)流動時,具有短時和大電流的特點,,通常只在系統(tǒng)起動或故障狀態(tài)下出現(xiàn),。
圖2 DC-DC雙向變換主電路原理圖
電路的工作原理
由于在MOSEFT管的d,s端或IGBT管的c,e端反并聯(lián)了二極管,因此2個橋式電路均具有整流功能,,逆變時需要對MOSEFT或IGBT管加觸發(fā)脈沖,。
低壓向高壓傳送能量的過程
當能量從低壓向高壓方向傳送時,要求M1~M4處于逆變狀態(tài),,S1~S4處于提升狀態(tài),。設(shè):gMi為開關(guān)器件Mi的門極控制電平。gSi為開關(guān)器件Si的門極控制電平,,則
對gMi,,gSi施加圖3所示的控制脈沖,M1,,M4導通構(gòu)成變壓器T左側(cè)的正向電流,;M2,M3導通構(gòu)成變壓器左側(cè)的反向電流。為實現(xiàn)器件的零電壓開關(guān)在M1,,M4和M2,,M3換流過程中加入死區(qū)。對S1,,S2不加觸發(fā)脈沖,,對S3,S4加圖3所示的觸發(fā)脈沖起電壓提升作用,。
圖3 能量從低壓向高壓流動時的門極控制脈沖
此階段電流電壓波形如圖4所示,。等效電路如圖5所示。對電路的分析可按以下幾個階段進行,,其中電流iLk的波形非常重要,,它等于變壓器右側(cè)的電流iT2。
圖4 能量從低壓向高壓流動時變壓器右側(cè)電壓,、電流波形
圖5 能量從低壓向高壓傳送過程中各階段等效電路
階段1:t1~t2,。M1,M2,,S3導通,,由于S1內(nèi)部二極管DS1和S3的導通,使變壓器右側(cè)c,,d兩點短路,,變壓器右側(cè)和iLk相關(guān)的等效電路如圖5a所示。電流iLk值如式(1)所示,,電感Lk儲能,,儲能時間可通過S3導通的時間進行控制。
式中:UT2為變壓器右側(cè)電壓幅值,。
階段2:t2~t3,。在t2時刻S3關(guān)斷,經(jīng)短暫的延時后,,對S4加觸發(fā)脈沖,,但S4并不立即導通。此時電感電流iLk經(jīng)S1,,S4內(nèi)部二極管對電容C2進行充電,,電流表達式如式(2)所示,等效電路如圖5b所示,。
式中:U2為高壓側(cè)的直流輸出電壓值,。
值得注意的是,階段1和階段2構(gòu)成了一個電壓提升工作方式,,改變S3門極脈沖的占空比,,可調(diào)節(jié)變壓器右側(cè),,即高壓側(cè)的輸出電壓,根據(jù)電壓提升電路的特性UT2和U2之間有式(3)所示的關(guān)系,。
式中:D為占空比,,即S3在M1,M4導通階段所占的比例,;ton=t2-t1,;T為iLk的半周期。
階段3:t3~t4,。在t3點M1,,M4關(guān)斷,此時iLk迅速回落,,iLk的變化如式(4)所示,,式(4)中Td為死區(qū)時間,等效電路如圖5c所示,。
階段4:t4~t5,。在t5點M2,M3,,S4導通,,此時反向重復(fù)階段1的過程。
高壓向低壓側(cè)傳送能量的過程當能量從高壓向低壓方向傳送時,,要求S1~S4處于逆變狀態(tài),,M1~M4處于提升狀態(tài),對開關(guān)器件的門控信號作和上述相同的設(shè)定,,要求對開關(guān)器件的門極加如圖6所示的控制信號。流過變壓器的電流波形和變壓器兩端的電壓波形和圖4波形的形狀基本相同,。
圖6 能量從高壓向低壓流動時的門極控制脈沖
零電壓開關(guān)分析
為實現(xiàn)開關(guān)器件的軟切換,,減小開關(guān)過程中的電壓和電流值,盡量使開關(guān)切換在接近零電壓時進行,,因此在逆變器開關(guān)換流時,,設(shè)置了死區(qū)Td。在圖2所示電路中,,當能量從低壓向高壓傳送時,,在M1從導通向截止換流,M2由截止向?qū)〒Q流時,,中間設(shè)置死區(qū)Td,,如圖7所示??紤]到電容Cs1=Cs2,,因此,,換流期間可以認為UCM1+UCM2=UCM3+UCM4維持不變,等于U1,。由于M1關(guān)斷,,CM1充電,電壓UCM1從0開始上升,,而UCM2放電,,電壓從U1下降,升,、降值相同,,維持和不變。因此,,CM1的充電電流為iT1/2,,CM1充電到電壓U1時,CM2放電到0V,。如果繼續(xù)對CM1充電,,CM2將被反向充電,DM2會導通,。此時為M2的零電壓開通提供了條件,。對CM1的充電是在iT1的作用下進行的,根據(jù)電容充電過程中電流,、電壓和時間之間的關(guān)系可得
由式(5)得th為
因此,,只要開關(guān)換流間隔死區(qū)時間Td大于CM1從0V充電到U1所需的時間th,即滿足式(7)就可實現(xiàn)開關(guān)元件的零電壓開通,。一般情況下,,取換流時iT1的平均值。
圖7 脈沖之間設(shè)置死區(qū)
電感Lk的選取
選適當?shù)腖k,,使電能從低壓側(cè)向高壓側(cè)傳送時,,保持電流iLk連續(xù)。實際上,,在S3導通期間(ton),,C2提供負載電流,而在S3截止期間,,電感中的感應(yīng)電勢使S1內(nèi)部的二極管導通,,一方面提供負載電流,另一方面,,補充在ton期間C2中電荷的減少,。根據(jù)功率平衡關(guān)系式(8),輸入,、輸出關(guān)系式(3)和式(9),,可得保持電流連續(xù)的最小電感Lkmin,。
式中:f為電源的開關(guān)頻率;I0為高壓側(cè)負載的平均電流,;U2為高壓側(cè)的輸出直流電壓,;UT2為變壓器高壓側(cè)的電壓有效值。
電流iLk臨界連續(xù)波形如圖8所示,。
圖8 電流iLk臨界連續(xù)波形
仿真及實驗結(jié)果
升壓方式
1)電壓值,。升壓工作方式下,若取蓄電池電壓Vin=24V,,開關(guān)頻率fc=20kHz,,占空比D=0.35,高壓側(cè)負載功率1kW,,則變壓器高壓側(cè)電壓UT2為240V,,用式(3)計算輸出電壓值為307V,仿真結(jié)果值見圖9,,和計算值基本吻合,。其它相關(guān)的電流、電壓波形如圖9所示,。
圖9 升壓方式下UM1,,UT2,iLk,,U2的仿真波形
2)電感電流iLk的波形,。電感電流iLk的波形如圖9所示和圖4中預(yù)期的iLk穩(wěn)態(tài)電流波形一致。在死區(qū)段變壓器電流迅速回落,。
3)開關(guān)切換點電壓值,。根據(jù)2.3節(jié)的分析,只要滿足式(7)即可實現(xiàn)電源的零電壓換路,。仿真時取Cs2=0.04LF,,開關(guān)觸發(fā)脈沖之間的死區(qū)Td設(shè)成5Ls時,能實現(xiàn)零電壓開關(guān),,如圖9所示。其中uM1為開關(guān)M1兩端的電壓波形,。
降壓方式
在降壓工作方式下,,若取低壓側(cè)負載功率為200W,高壓側(cè)電壓U2為240V,,占空比D=0.35,,則輸出電壓波形U1,流經(jīng)電感Lk的電流波形iLk,,變壓器兩側(cè)的電壓UT1,,UT2分別如圖10所示,。
圖10 降壓方式下U1,iT1,,UT1,,UT2,iLk的仿真波形
部分實驗波形
1)電流iLk波形,。變流器的電路參數(shù)同仿真值,,通過示波器觀察到的變壓器高壓側(cè)電流波形,即流經(jīng)電感Lk的電流波形如圖11所示,。波形和仿真結(jié)果基本一致,,見圖9、圖10中電流iLk波形,。
圖11 升壓方式下電流iLk的實驗波形
2)零電壓開關(guān)波形,。當電能從高壓側(cè)向低壓側(cè)傳送時,開關(guān)器件M1門極控制電壓和漏,、源極電壓波形如圖12所示,,能實現(xiàn)開關(guān)器件的零電壓切換。
圖12 升壓方式下Uds,,Ug的實驗波形
結(jié)束語
本文給出了一個零電壓開關(guān)的雙橋,、雙向直流電壓變換電路,在不改變電路結(jié)構(gòu)的情況下,,實現(xiàn)能量的雙向流動,。由于電路中,使用了新的開關(guān)控制策略,,使該電路具有穩(wěn)定的輸出電壓,。在不增加電路元件的條件下實現(xiàn)電路的零電壓開關(guān),因此電源的電磁輻射較小,。此外,,電路還具有體積小、效率高,、結(jié)構(gòu)簡單,、成本低廉、電氣隔離等優(yōu)點,。電源的輸出功率可達幾到十幾kW,,除可以用于中、小型的電動車驅(qū)動外,,還可作為中,、小型變電站的不間斷電源及其它需要雙向直流電源供電的設(shè)備中。