高雪松，張相軍

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱，150001）

1 引言

近年來隨著超級(jí)電容的廣泛應(yīng)用，帶有雙向直流變換器的超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠?qū)Χ虝r(shí)能量沖擊起到緩沖作用。通過雙向DC-DC 變換器可以在短時(shí)間內(nèi)使饋能性負(fù)載所產(chǎn)生的瞬時(shí)功率被超級(jí)電容吸收，并在負(fù)載需要瞬時(shí)功率時(shí)給負(fù)載提供瞬時(shí)功率。從而減少對(duì)電網(wǎng)的危害，滿足節(jié)能環(huán)保的要求。由于基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的雙向DC-DC 變換器，能夠短時(shí)充放電、充放電次數(shù)多，因此電梯系統(tǒng)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、不間斷電源系統(tǒng)（UPS）、航空航天電源系統(tǒng)、太陽(yáng)能（風(fēng)能）發(fā)電系統(tǒng)、能量?jī)?chǔ)存 系統(tǒng)、電動(dòng)汽車系統(tǒng)等系統(tǒng)中都有其適用場(chǎng)合[1-3]。

非隔離Buck/Boost 雙向DC-DC 變換器具有效率高、成本低，開關(guān)管的電壓尖峰不會(huì)很高，但會(huì)存在開關(guān)管內(nèi)寄生二極管的反向恢復(fù)問題，工作在斷續(xù)模式時(shí)，還會(huì)發(fā)生振鈴現(xiàn)象影響穩(wěn)定運(yùn)行[4]。

本文以非隔離Buck/Boost 雙向DC-DC 變換器的拓?fù)錇榛A(chǔ)，使上下橋臂的開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，通過開關(guān)管的寄生電容、電路中的電感在電感電流過零時(shí)諧振，實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通，和近似的零電壓關(guān)斷。并對(duì)雙向DC-DC 變換器的控制模型進(jìn)行了分析，通過控制超級(jí)電容恒流充電，恒流、恒壓放電實(shí)現(xiàn)了雙向變換器的雙向運(yùn)行，并在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 雙向變換器的模型分析

非隔離雙向變換器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在很多儲(chǔ)能場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用，非隔離Buck/Boost 雙向DC-DC 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。對(duì)于非隔離雙向DC-DC 變換器，為了提高系統(tǒng)的功率密度、減少開關(guān)損耗和反向恢復(fù)損耗，可采用較小的電感并使電感電流工作在斷續(xù)模式下（DCM）或臨界模式（CRM）。臨界模式的頻率范圍太寬，實(shí)現(xiàn)起來需要檢測(cè)電流過零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)起來困難。而斷續(xù)模式下，在電感電流下降為零時(shí)，主電感會(huì)與電路中的設(shè)備輸出電容或者開關(guān)管的寄生電容之間發(fā)生諧振，引起振鈴現(xiàn)象，如圖2所示。這就造成了對(duì)系統(tǒng)的整體效率的影響，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的EMI 噪聲[5]。因此，需要采取相應(yīng)的措施避免這些問題的出現(xiàn)。

圖1 非隔離Buck/Boost 雙向DC-DC 變換器拓?fù)?Fig.1 Non-isolated Buck / Boost bidirectional DC-DC converter’s topology

圖2 非隔離雙向DC-DC 變換器Buck 模式下工作原理圖 Fig.2 Non-isolated bi-directional DC-DC converter schematic diagram Buck mode

圖2為非隔離單通道Buck/Boost 雙向DC/DC變換器拓?fù)涔ぷ髟贐uck 模式下的電路原理圖，其中Cin為高壓側(cè)濾波電容，低壓側(cè)虛線框內(nèi)為多個(gè)超級(jí)電容單體構(gòu)成的超級(jí)電容組，其中開關(guān)管S1與S2驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)導(dǎo)通在典型的buck 和boost 變換器中，續(xù)流管采用的是二極管，當(dāng)電感電流減小為0 后，不可避免的存在主開關(guān)寄生電容與電感的振蕩，但是對(duì)于如圖2所示的電路來說，與續(xù)流二極管并聯(lián)的功率開關(guān)為電感電流反向提供了通路，并會(huì)在電感電流由負(fù)變正的過程中，產(chǎn)生零電壓開關(guān)條件。

由于變換器中的開關(guān)器件和二極管等非線性元件的存在，雙向DC-DC 變換器系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng)，但是當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在某一穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近時(shí)，仍可以把它當(dāng)作線性系統(tǒng)來近似，buck 模式的模型與boost 模式類似，因此本文僅介紹buck模式的建模。圖3是雙向變換器的主電路拓?fù)鋱D。

圖3 雙向變換器的主電路拓?fù)鋱D Fig.3 Bidirectional converter main circuit’s topology

在一個(gè)開關(guān)期間內(nèi)，瞬時(shí)值是平均值和干擾值的和。當(dāng)開關(guān)管S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷。電路滿足如下等式：

當(dāng)S2導(dǎo)通時(shí)，S1關(guān)斷，有如下等式：

對(duì)小信號(hào)分析：

D 是占空比的平均值，對(duì)于平均值，有：

綜合式（1）～式（4）可知：

在上面的式子中，考慮了電感阻抗和超級(jí)電容的內(nèi)阻，在實(shí)際的分析中，為了簡(jiǎn)化等式，這些可以被忽略。小信號(hào)電路圖如圖4所示。圖4a 是工作在buck 模式下的雙向DC-DC 變換器的等效小信號(hào)模型。用同樣的方法，可以推斷出boost 模式如圖4b 所示

圖4 小信號(hào)電路圖 Fig.4 Small-signal circuit

通過以上的分析，閉環(huán)系統(tǒng)的性能可以通過設(shè)計(jì)補(bǔ)償環(huán)節(jié)來改變。

3 雙向變換器軟開關(guān)分析

對(duì)于隔離Buck/Boost 雙向DC-DC 變換器，由于一般基于半橋或全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以利用存儲(chǔ)在高頻變壓器中的感性能量在電容放電，可以為開關(guān)管創(chuàng)造軟開關(guān)的條件；但對(duì)于非隔離的雙向DC-DC 變換器因不存在高頻變壓器所以難以實(shí)現(xiàn)[7]。

圖5為S1和S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)及電感電流波形示意圖。可以看出，電感電流的波形不同于DCM 狀態(tài)下電流波形，電感電流可以下降為負(fù)值然后上 升，因此避免了上述DCM 狀態(tài)下產(chǎn)生的振鈴現(xiàn)象的問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVRT（zero-voltage resonant transition）[8-9]。

下面分析了開關(guān)管ZVRT 的實(shí)現(xiàn)過程，首先，在t1―t2時(shí)間段內(nèi)上管門極信號(hào)使能，S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷，電感電流線性上升。

t2―t3時(shí)間段，在驅(qū)動(dòng)信號(hào)死區(qū)時(shí)間內(nèi)，上下橋臂開關(guān)管均沒有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，此時(shí)電感電流使開關(guān)管寄生電容C1充電，C2放電，C1的充電減緩了開關(guān)管S1兩端電壓的上升，從而減少了關(guān)斷損耗。當(dāng)C2完全放電時(shí)，開關(guān)管S2兩端電壓為0，電感電流會(huì)通過二極管D2構(gòu)成回路，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管S2在零電壓狀態(tài)開通。

圖5門極信號(hào)及Buck 電感電流波形示意圖 Fig.5 Gate signal and Buck inductor current waveform schematic

t3―t4時(shí)間段，在超級(jí)電容電壓作用下，電感電流線性下降直到過零。

t4―t5時(shí)間段，開關(guān)管S2導(dǎo)通，則二極管D2在零電壓條件下關(guān)斷，反向恢復(fù)損耗為零，同時(shí)避免了振鈴現(xiàn)象的產(chǎn)生。

t5―t6時(shí)間段，S2關(guān)斷信號(hào)來臨時(shí)，即進(jìn)入死區(qū)時(shí)間內(nèi)，同上，C2充電，C1 放電。

當(dāng)完全充放電完成時(shí)，即進(jìn)入t6-t7 時(shí)間段，電感電流流過D1，此時(shí)開關(guān)管S1工作在零電壓開通條件下，同時(shí)也減少了S2的開關(guān)損耗。

以上為電路工作在Buck 狀態(tài)下的分析，對(duì)于Boost 同樣適用，上下管工作在零電壓開通條件下，并使二極管D1的反向恢復(fù)損耗為零，寄生振鈴現(xiàn)象得到抑制，從而實(shí)現(xiàn)了 ZVRT。以上分析對(duì)應(yīng)的各個(gè)時(shí)間段內(nèi)電流走向圖如圖6所示。

圖6 buck 方式下各個(gè)工作狀態(tài)的電流走向示意圖 Fig.6 The current trend of each work state in buck mode

4 實(shí)驗(yàn)波形分析

基于以上理論分析及仿真，本論文搭建了基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的雙向DC/DC 變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并在小功率條件下，對(duì)雙向變換器的工作進(jìn)行了相關(guān)波形的測(cè)試。

圖7為開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形及工作在斷續(xù)狀態(tài)下電感電流，可以看出電感電流工作在斷續(xù)狀態(tài)下，在到達(dá)零點(diǎn)后電流反向，避免了在零點(diǎn)時(shí)刻出現(xiàn)的寄生振蕩問題。

圖7 開關(guān)管驅(qū)動(dòng)及電感電流波形圖 Fig.7 Switch driver and the inductor current waveform

圖8為電感電流斷續(xù)模式下開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開通的波形圖，可以看出在IGBT 兩端電壓UCE下降為零之后，開關(guān)管才有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，保證了IGBT的零電壓開通，實(shí)現(xiàn)了ZVRT。

圖8 BDC 互補(bǔ)導(dǎo)通開關(guān)管ZVRT 的實(shí)現(xiàn) Fig.8 BDC complementary conduction switch ZVRT realization

圖9為雙向DC/DC 變換器工作于Buck 方式下的超級(jí)電容恒流充電波形圖，可以看出超級(jí)電容初始電壓為15 V，控制充電電流為7 A，充電時(shí)間為60 s，可以看出超級(jí)電容的電壓有較好的線性度。

圖9 超級(jí)電容恒流充電電壓波形 Fig.9 Constant current charging super capacitor voltage waveform

圖10為雙向DC/DC 變換器工作于Boost 方式下的超級(jí)電容恒流放電的電壓波形圖，超級(jí)電容初始電壓為60 V，放電電流大約為12 A，可以看出超級(jí)電容由60 V 放電到10 V 時(shí)所用的時(shí)間約為55 s。

圖10 超級(jí)電容恒流放電電壓波形（10s/div，10V/div）Fig.10 Super capacitor constant discharge voltage waveform （10s/div，10V/div）

圖11為雙向變換器啟動(dòng)過程中，電感電流的響應(yīng)波形，工作于斷續(xù)狀態(tài)，啟動(dòng)過程響應(yīng)時(shí)間約為20 ms，具有較快的響應(yīng)速度。

圖11 雙向變換器電感電流相應(yīng)波形 Fig.11 Bidirectional converter inductor current waveform corresponding

在對(duì)超級(jí)電容充電過程中，為了防止超級(jí)電容出現(xiàn)過壓造成的危害，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控超級(jí)電容兩端的電壓。圖12為超級(jí)電容恒流充電實(shí)驗(yàn)，設(shè)定超級(jí)電容初始電壓為20 V，當(dāng)充電電壓達(dá)到50 V 時(shí)，對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行涓流充電，維持超級(jí)電容電壓穩(wěn)定?？梢钥闯鲈贏點(diǎn)后超級(jí)電容兩端電壓基本穩(wěn)定，電感電流平均值大約為零。

圖12 超級(jí)電容恒流恒壓充電實(shí)驗(yàn)波形 Fig.12 Super capacitor charging constant current experimental waveforms

5 結(jié)論

本文對(duì)非隔離雙向DC-DC 變換器進(jìn)行了改進(jìn)，同隔離式拓?fù)湎啾确歉綦x雙向DC-DC 變換器具有簡(jiǎn)單、效率高、系統(tǒng)損耗小的特點(diǎn)。使半橋變換器的上下橋臂的開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，通過開關(guān)管的寄生電容、電路中的電感在電感電流過零時(shí)諧振，實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通，和近似的零電壓關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)?；诔?jí)電容儲(chǔ)能的雙向DC/DC 變換器，通過控制開關(guān)器件的占空比，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制電感電流、電容電壓。運(yùn)用了平均電流控制方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)超級(jí)電容的恒流充電與恒流、恒壓放電，具有較短的響應(yīng)時(shí)間?？梢缘贸?，超級(jí)電容是吸收瞬時(shí)能量的很好的選擇，是能量存儲(chǔ)系統(tǒng)里的重要能量緩沖環(huán)節(jié)。

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