房緒鵬，　莊見偉，　李輝

(山東科技大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院， 山東 青島　266590)

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一種新型雙向DC-DC變換器

房緒鵬，莊見偉，李輝

(山東科技大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院， 山東 青島266590)

針對傳統(tǒng)Buck-Boost變換器存在的輸出電壓有限、穩(wěn)定性較差、增益較低等問題，設(shè)計了一種采用Z源網(wǎng)絡(luò)連接直流輸入電源和負(fù)載的新型雙向DC-DC變換器，分析了該新型變換器在功率正向傳輸和功率反向傳輸時的工作過程。實驗結(jié)果表明，該新型變換器能夠?qū)崿F(xiàn)功率雙向傳輸，且在2種功率傳輸模式下都能實現(xiàn)升壓、降壓功能；與傳統(tǒng)Buck-Boost變換器相比，該新型變換器輸出電壓更穩(wěn)定，電壓增益較高。

蓄電池機車； 雙向DC-DC變換器； 功率雙向傳輸；Z源網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160902.1015.012.html

0　引言

當(dāng)今科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展，直流電源系統(tǒng)發(fā)展迅速，在各種場合中的應(yīng)用越來越普遍，要求也越來越高[1]。如何設(shè)計開發(fā)出更小體積、更低成本、更高性能的DC-DC變換器，是當(dāng)今電源技術(shù)研究的主題。

傳統(tǒng)的Buck-Boost變換器實際輸出電壓有限，穩(wěn)定性較差，電壓增益較低，安全性、可靠性較低，制約了其發(fā)展。本文提出一種新型雙向DC-DC變換器，與傳統(tǒng)的單向Buck-Boost變換器相比，其可在一個電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中完成能量雙向流動，現(xiàn)場操作方便，減小了部件體積，節(jié)省了造價，提升了能量轉(zhuǎn)換率[2-3]。該新型雙向DC-DC變換器設(shè)置了獨特的Z源網(wǎng)絡(luò)，具有變壓精度高、抗電磁干擾能力強、輸出電壓穩(wěn)定性強等優(yōu)勢，且具有很高的可靠性和安全性，可避免MOSFET功率開關(guān)共態(tài)導(dǎo)通或共態(tài)關(guān)斷時損壞電力電子器件。

蓄電池機車是煤礦井下的主要動力設(shè)備，負(fù)責(zé)人員、物料運輸。蓄電池機車一般由車載550V蓄電池供電。電源經(jīng)逆變器、高頻變壓器和整流裝置降壓后，可為機車上的24V低壓用電設(shè)備，如照明、電笛、通信、綜合檢測保護裝置及其他控制設(shè)備提供電能[4]。當(dāng)機車停電或發(fā)生故障時，低壓用電設(shè)備也會斷電，給井下生產(chǎn)造成不便。為了避免該種情況，在蓄電池機車中加入新型雙向DC-DC變換器，如圖1所示。該DC-DC變換器正向工作時,將低壓用電設(shè)備兩端的直流電源降壓為適用于12V蓄電池兩端充電的電壓；當(dāng)機車停電或發(fā)生故障時，12V蓄電池放電，經(jīng)DC-DC變換器升壓后為24V低壓用電設(shè)備供電。這使得低壓用電設(shè)備供電不間斷，即使出現(xiàn)異常情況也能正常工作。

圖1　井下蓄電池機車供電結(jié)構(gòu)

1　新型雙向DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

新型雙向DC-DC變換器在輸入直流電源和負(fù)載之間采用Z源網(wǎng)絡(luò)進行連接[5]，如圖2所示，其中虛線框內(nèi)為雙向DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該新型雙向DC-DC變換器輸入可為任意類型直流電源，輸出采用蓄電池組儲能，功率正向傳輸時可給蓄電池組充電，功率反向傳輸時蓄電池組可為直流負(fù)載提供電能。圖2中Z源網(wǎng)絡(luò)是由2個相同電感(L1，L2)和2個相同電容(C1，C2)組成的X形網(wǎng)絡(luò)，雙向電力電子開關(guān)(V1，V2)采用MOSFET或IGBT/Diode開關(guān)器件。

圖2　新型雙向DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2　新型雙向DC-DC變換器工作原理

2.1功率正向傳輸時變換器工作過程

由于L1，L2具有相等的電感量，C1，C2具有相等的電容量，所以Z源網(wǎng)絡(luò)對稱。由電路的等效性和對稱性得[6]

(1)

當(dāng)功率正向傳輸時，變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)左端輸入為直流電源，為低壓用電設(shè)備R供電；右端輸出為蓄電池充電。V1，V2采取互補導(dǎo)通方式，有2種工作模式。

工作模式1：任意直流電源向電感L3充電，L1，L2對C1，C2供電，C4向蓄電池充電，等效電路如圖3(a)所示。設(shè)在1個開關(guān)周期T內(nèi)，V1導(dǎo)通的時間為DT(D為V1的占空比)，則

(2)

式中：Ui為輸入電壓；UL3為V1導(dǎo)通時L3兩端電壓。

(a) 工作模式1

(b) 工作模式2

工作模式2：任意直流電源向L1，L2充電，C1，C2放電，直流電源協(xié)助Z源網(wǎng)絡(luò)向C4和蓄電池充電，等效電路如圖3(b)所示。設(shè)在1個開關(guān)周期T內(nèi)，V2導(dǎo)通的時間為(1-D)T，則

(3)

根據(jù)穩(wěn)態(tài)電感磁通守恒定律，1個開關(guān)周期內(nèi)，L1的平均電壓為0，則

(4)

將式(1)—式(3)代入式(4)，得

(5)

即

(6)

1個開關(guān)周期內(nèi)，L3的平均電壓也為0，則

(7)

將式(2)—式(6)代入式(7)，得

(8)

即

(9)

2.2功率反向傳輸時變換器工作過程

對于對稱的Z源網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)功率反向傳輸時，右端輸入為蓄電池放電，左端輸出為低壓用電設(shè)備R供電。V1，V2采取互補導(dǎo)通方式，有2種工作模式。

工作模式3：蓄電池與Z源網(wǎng)絡(luò)隔離，C1，C2向L1，L2提供能量，L3給C4和直流負(fù)載供能，等效電路如圖4(a)所示。設(shè)在1個開關(guān)周期T內(nèi)，V1導(dǎo)通時間為DT，則

(10)

工作模式4：蓄電池向C1，C2充電，L1，L2放電，蓄電池協(xié)助Z源網(wǎng)絡(luò)中的L1和L2向C4及低壓用電設(shè)備R供能，等效電路如圖4(b)所示。在1個開關(guān)周期T內(nèi)，V2導(dǎo)通時間為(1-D)T，則

(11)

將式(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)

將式(1)、式(10)、式(13)代入式(7)，得

(14)

即

(15)

3　2種變換器性能比較

從電壓增益、開關(guān)電壓應(yīng)力2個方面對傳統(tǒng)Buck-Boost變換器和新型雙向DC-DC變換器進行比較。

3.1電壓增益

根據(jù)傳統(tǒng)Buck-Boost變換器和新型雙向DC-DC變換器的電壓增益公式，采用Matlab/Figure軟件繪制2種變換器電壓增益曲線，如圖5所示?？煽闯?

3.2開關(guān)電壓應(yīng)力

具有相同輸入、輸出電壓，相同負(fù)載的2種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其功率開關(guān)器件承受的電壓應(yīng)力也會有所不同[7]。假設(shè)新型雙向DC-DC變換器及傳統(tǒng)Buck-Boost變換器的輸入電壓為Ui，輸出電壓為U0，通過計算可得2種變壓器功率開關(guān)器件的電壓應(yīng)力，見表1。

圖5　2種變換器電壓增益曲線

表1　2種變換器功率開關(guān)器件的電壓應(yīng)力比較

由于傳統(tǒng)Buck-Boost變換器輸出與電源極性相反的電壓，而新型雙向DC-DC變換器電源極性與輸出電壓極性相同，根據(jù)表1數(shù)據(jù)可知，新型雙向DC-DC變換器具有較小的開關(guān)電壓應(yīng)力，可減小開關(guān)器件的發(fā)熱程度，提高開關(guān)器件的使用壽命。

4　實驗測試

為了驗證理論分析的正確性，根據(jù)圖1和傳統(tǒng)Buck-Boost變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建了2套樣機，在CCM工作模式下進行了開環(huán)實驗[8]。樣機采用FDA59N30型MOSFET開關(guān)器件、KS130125A/6A型鐵硅鋁磁環(huán)電感，其余元器件參數(shù)見表2。樣機輸入信號采用PWM控制策略，通過TMS320F2812開發(fā)板產(chǎn)生互補的控制信號，控制MOSFET開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷來實現(xiàn)升、降壓，通過調(diào)節(jié)占空比可得任意所需的輸出電壓。

表2　樣機元器件參數(shù)

新型雙向DC-DC變換器功率正向傳輸時，向12V蓄電池充電，交流電源220V由20V變壓器經(jīng)整流濾波后得到直流電源Ui=24V，調(diào)節(jié)PWM信號，使占空比D=25%，降壓后即得到適于為蓄電池充電的電壓。對于傳統(tǒng)的Buck-Boost變換器，輸入電壓Ui=24V時，采用1路PWM信號，調(diào)節(jié)占空比D=40%，即可得到與功率正向傳輸時相同大小的輸出電壓，但輸出電壓與電源極性相反，實驗波形如圖6所示。

圖6　蓄電池兩端電壓波形

從圖6可看出，在具有相同大小的輸入、輸出電壓，相同負(fù)載條件下，與傳統(tǒng)Buck-Boost變換器相比，新型雙向DC-DC變換器輸出電壓毛刺較少，穩(wěn)定性較強，電壓質(zhì)量較高。

新型雙向DC-DC變換器功率反向傳輸時，蓄電池放電，用數(shù)字萬用表測得蓄電池兩端輸出電壓U0=13.8V，調(diào)節(jié)占空比D=30%，經(jīng)新型雙向DC-DC變換器升壓后即得到適用于負(fù)載工作的電壓，實驗波形如圖7所示。

圖7　新型雙向DC-DC變換器功率反向傳輸時負(fù)載兩端電壓波形

從圖6、圖7可看出，新型雙向DC-DC變換器可以實現(xiàn)功率的雙向傳輸，且能得到系統(tǒng)工作要求的輸出電壓，完成了功率轉(zhuǎn)換。受開關(guān)管內(nèi)阻等因素影響，新型雙向DC-DC變換器輸出電壓與理論值存在一定誤差，但誤差在允許范圍內(nèi)，驗證了理論分析的正確性。

5　結(jié)語

分析了新型雙向DC-DC變換器2個功率傳輸方向的工作原理，構(gòu)建了實驗樣機。實驗結(jié)果表明，該新型雙向DC-DC變換器與傳統(tǒng)Buck-Boost變換器相比，具有較高的電壓增益，輸出電壓更穩(wěn)定，可實現(xiàn)功率雙向傳輸，且每一功率傳輸方向均能實現(xiàn)升壓、降壓。

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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；責(zé)任編輯：李明。

中國博士后科學(xué)基金資助項目(20090461254)。

房緒鵬(1971-)，男，山東汶上人，副教授，博士，研究方向為阻抗源變流器及其應(yīng)用、現(xiàn)代電力電子技術(shù)在電氣傳動和新興能源利用方面的應(yīng)用等，E-mail：xpfang69@163.com。

TD611

A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-09-02 10:15

房緒鵬，莊見偉，李輝.一種新型雙向DC-DC變換器[J].工礦自動化，2016,42(9)：52-56.