王迎斌

摘 要：本文采用移相全橋控制策略，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于電動(dòng)汽車的DC/DC變換器并能實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)的零電壓導(dǎo)通。本文對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹移相全橋ZVS-DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。制造了一個(gè)原型進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相一致，且滿足要求設(shè)計(jì)要求，證明設(shè)計(jì)方案的可行性。

關(guān)鍵詞：移相全橋 電動(dòng)汽車 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ZVS控制

Design and Research of Electric Vehicle DC/DC Converter Based on Phase Shift Full Bridge ZVS Control

Wang Yingbin

Abstract：In this paper， a phase-shifted full-bridge control strategy is adopted to design a DC/DC converter applied to electric vehicles and realize the zero-voltage conduction of the power switch. This article briefly introduces the topology of the phase-shifted full-bridge ZVS-DC converter. A prototype was made and a series of experiments were carried out. The final experimental results are consistent with the simulation results， and meet the required design requirements， proving the feasibility of the design scheme.

Key words：phase-shifted full bridge， electric vehicle， topology， ZVS control

1 引言

伴隨著全球能源危機(jī)情況的日益嚴(yán)重，節(jié)能環(huán)保汽車需求不斷增加，大力發(fā)展電動(dòng)汽車已成為國家重要戰(zhàn)略的目標(biāo)之一，而作為電動(dòng)汽車核心部件的DC/DC轉(zhuǎn)換器，對(duì)其進(jìn)行更深入的研究和改進(jìn)也變得愈發(fā)迫切。開關(guān)電源由于效率高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)近年來逐漸受到設(shè)計(jì)人員的關(guān)注，其高頻狀態(tài)下的功率器件具有非線性特性，寄生電路參數(shù)在高頻工況下效應(yīng)明顯，可以通過平穩(wěn)的系統(tǒng)操作達(dá)到高效傳輸?shù)哪康摹Ｔ诖嗽O(shè)計(jì)中，相移全橋ZVS DC/DC設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車用變頻器。相移全橋ZVS DC/DC轉(zhuǎn)換器適用于中功率和大功率場(chǎng)合。它可以充分利用功率器件的寄生參數(shù)來實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)并提高開關(guān)的開關(guān)頻率[1]。

2 移相全橋ZVS DC / DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和特征

DC/DC轉(zhuǎn)換器可以將不可調(diào)節(jié)的直流電壓轉(zhuǎn)換成可調(diào)節(jié)的直流電壓。隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，DC/DC轉(zhuǎn)換器越來越多地應(yīng)用于電動(dòng)汽車中廣泛。由于動(dòng)力電池的高壓電源可以轉(zhuǎn)換為低壓電源通過DC/DC轉(zhuǎn)換器可以替代傳統(tǒng)車輛中的小型發(fā)電機(jī)車輛的布局和結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化。

相移全橋ZVS DC/DC轉(zhuǎn)換器的拓?fù)淙鐖D1所示。全橋逆變器電路用于變壓器的一次電路。Q1，Q2，Q3和Q4是功率器件，例如IGBT或MOSFET。D1，D2，D3和D4是Qi的寄生二極管分別。Ci是寄生電容。Lr是諧振電感，包括變壓器漏電感和外部電感。與其他隔離式轉(zhuǎn)換器相比，全橋逆變器電路的輸入電壓僅為直流母線電壓。開關(guān)的最大電壓與相同的半橋電路相同功率電平，即直流母線電壓的一半。通過開關(guān)的電流是一半的兩倍-橋接電路。并且與推挽電路相比，開關(guān)的最大電壓為一半，并且不需要中央抽頭變壓器，從而使電路更簡(jiǎn)單，更緊湊。所以全橋式轉(zhuǎn)換器電路更適合大功率應(yīng)用[2]。

可以充分利用電源開關(guān)器件或外部電容器的寄生電容通過相移全橋ZVS控制模式實(shí)現(xiàn)可靠的零電壓開關(guān)和電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

3 移相全橋DC / DC轉(zhuǎn)換器中的關(guān)鍵問題

3.1 占空比損失

由于全橋ZVS DC/DC轉(zhuǎn)換器中存在諧振電感器，因此功率逆變橋上的開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，從而降低了電流和電壓應(yīng)力和電源開關(guān)的損耗。但是當(dāng)引線的開關(guān)閉合時(shí)，電源首先為諧振電感器充電。此時(shí)，原邊電流不足以提供負(fù)載電流時(shí)，變壓器次級(jí)側(cè)的整流電路的二極管位于擊穿狀態(tài)，因此這些二極管將電源開關(guān)的電壓鉗位到零電壓，這導(dǎo)致占空比的損失[3]。

占空比損耗是ZVS相移全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器的重要現(xiàn)象，這會(huì)降低轉(zhuǎn)換器的效率。每個(gè)周期的占空比為：

其中Lr是諧振電感器（包括變壓器泄漏），IP是原始側(cè)電流，uDC是直流輸入電壓，T是PWM控制信號(hào)的周期。

3.2 開關(guān)管ZVS的實(shí)現(xiàn)條件

為實(shí)現(xiàn)開關(guān)的零電壓開關(guān)，諧振能量應(yīng)滿足：

其中Ci是電源開關(guān)管的寄生電容，C1=C2=C3=C4。CT是變壓器寄生電容。

引線開關(guān)的零電壓開關(guān)取決于引線的諧振過程。在這個(gè)過程中在引線共振中，變壓器正在傳遞能量，因此可以認(rèn)為一次側(cè)諧振電感與二次側(cè)濾波電感串聯(lián)。這個(gè)諧振能量是諧振電感和濾波電感的總和[4]。

其中Lf是輸出濾波電感，ET是勵(lì)磁繞組的能量，即相對(duì)較小，可以忽略。

滯后引線開關(guān)的零電壓開關(guān)取決于滯后引線的諧振過程。在這個(gè)過程中在滯后引線共振中，變壓器被二次側(cè)的MOSFET短路。在這一點(diǎn)上，轉(zhuǎn)換器被分成兩部分，這意味著二次側(cè)和原邊變壓器的側(cè)邊沒有連接，所以諧振能量只與原邊：

綜上所述，實(shí)現(xiàn)移相全橋DC/DC變換器零電壓開關(guān)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)滯引線開關(guān)的零電壓開關(guān)。只要引線上的開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，那么在前引線上也可以實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。

4 多功能充電轉(zhuǎn)換器整體結(jié)構(gòu)

圖2是多功能充電轉(zhuǎn)換器的整體結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)的主電源部分主要由AC/DC變換和DC/DC變換組成。DC/DC變換部分分為高壓DC/DC變換和低壓DC/DC變換兩部分，兩部分共用DC變換拓?fù)?，控制器和繼電器完成兩個(gè)DC/DC變換。多功能充電變換器采用兩級(jí)變換拓?fù)?。前?jí)采用Boost PFC電路實(shí)現(xiàn)AC/DC轉(zhuǎn)換，提高電路的PF值，抑制諧波干擾。轉(zhuǎn)換后的高壓直流電相對(duì)穩(wěn)定，可用于后續(xù)的多功能直流電/部分采用直流變換器;后一級(jí)在全橋LLC諧振變換器上進(jìn)行拓?fù)鋾r(shí)分復(fù)用，作為多功能DC/DC轉(zhuǎn)換電路，可在不同時(shí)期產(chǎn)生高壓直流電和低壓直流電，分別對(duì)動(dòng)力電池和輔助電池充電。此外，該系統(tǒng)還包括控制保護(hù)和輔助管理兩部分?？刂票Ｗo(hù)部分主要完成輸入輸出過電壓、欠電壓檢測(cè)和輸入過電流檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)由前后控制器處理。進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作;輔助管理部分包括輔助電源、CAN通信、上位機(jī)接口等。

5 結(jié)語

本文介紹了相移全橋DC/DC ZVS的特點(diǎn)和主要問題對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了分析，并計(jì)算了主要部件的參數(shù)和模型。并在理論分析和建模仿真的基礎(chǔ)上，開發(fā)了原型并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)現(xiàn)了。設(shè)計(jì)要求160V|～350V DC輸入，14V DC輸出，大功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到90%以上。但是在本文中，相移全橋控制器UCC28950不是可編程的，因此某些輔助功能受到限制，包括電壓檢測(cè)和保護(hù)、電流檢測(cè)和保護(hù)、溫度檢測(cè)和保護(hù)、能源流程和通訊功能等。使用可編程控制器使轉(zhuǎn)換器工作在穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)將是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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