資料介紹
電動汽車在運行過程中,頻繁地加速減速、起動制動,需要利用雙向DC/DC變換器將電池的電壓升高以獲得穩定的直流母線電壓。另外,在電動汽車制動時,需要通過雙向DC/DC變換器將能量回饋到電池,使其效率提高。
參考文獻[1]通過對比幾種典型雙向DC/DC變換器發現,在相同條件下半橋型雙向DC/DC變換器電路元件所承受的電壓電流應力較小。基本半橋型拓撲結構運用在大功率負載時,所需開關器件等級仍然較高、電感較大、體積龐大、能量密度較低。為了減小變換器體積,增大功率等級,參考文獻[2-3]采用多重化半橋拓撲結構,降低了開關管功率等級,減小所用電感和電壓電流紋波,但開關損耗問題仍有待解決。參考文獻[4]采用一個震蕩電感加二重雙向DC/DC拓撲結構,運用軟開關技術提高效率,但增加了一個電感元件和兩個開關,導致成本增加。
為獲得較高的功率密度,可將變換器設計在非連續導通模式(DCM),但其紋波較大,故采用多重化拓撲結構以彌補其缺陷,由此所需電感進一步減小[3]。另外,在DCM模式下,主開關關斷的頻率是其負載電流頻率的兩倍,開關的關斷損耗增大,DCM模式使得變換器效率降低[5]。本文采用一種控制型軟開關技術[6],不需要額外增加半導體器件,通過合理控制實現軟開關,從而減小了開關損耗,提高了變換器效率。
1 變換器拓撲結構及控制策略
1.1 變換器的拓撲結構及工作原理
本文采用的三重交錯式雙向DC/DC變換器由三個典型半橋式雙向DC/DC拓撲結構交錯并聯而成,其拓撲結構如圖1所示。

三個基本半橋的導通時間依次互錯1/3周期,且在每個周期導通時間相同,因此電感電流也依次互錯1/3周期,從而減小總電流的紋波。
當正向運行,即升壓運行時,下部開關Sd1、Sd2、Sd3處于斬波狀態,為主開關,上部開關Su1、Su2、Su3與同臂下部開關互補,為輔助開關。當反向運行,即降壓運行時,上部開關與下部開關主輔職能調換。
為了達到軟開關目的,在實際運行中上下開關驅動信號加入的死區時間,利用電感電流恒流源作用,使上下開關各自并聯的小電容能量在死區時間內得以交換,從而達到ZCS和ZVS。下面僅以單重半橋型雙向DC/DC變換器拓撲加以說明。
圖1中,iL1為電感L1的電流,規定如圖1中方向為正方向;Co為濾波電容;FWDu1及FWDd1分別為開關Su1和Sd1反向并聯的二極管;Cu1、Cd1為兩開關并聯的小電容。低壓側Vin由蓄電池或超級電容供電,高壓側Vo接電機等負載。當電機正向運行時,Sd1為斬波開關,Su1為輔助開關,能量由低壓側Vin流向高壓側Vo;當電機發生制動時,能量反向流動,上、下開關職能調換。現僅以boost工作模式加以說明。圖2所示為升壓模式下6個工作模態的關鍵波形。
參考文獻[1]通過對比幾種典型雙向DC/DC變換器發現,在相同條件下半橋型雙向DC/DC變換器電路元件所承受的電壓電流應力較小。基本半橋型拓撲結構運用在大功率負載時,所需開關器件等級仍然較高、電感較大、體積龐大、能量密度較低。為了減小變換器體積,增大功率等級,參考文獻[2-3]采用多重化半橋拓撲結構,降低了開關管功率等級,減小所用電感和電壓電流紋波,但開關損耗問題仍有待解決。參考文獻[4]采用一個震蕩電感加二重雙向DC/DC拓撲結構,運用軟開關技術提高效率,但增加了一個電感元件和兩個開關,導致成本增加。
為獲得較高的功率密度,可將變換器設計在非連續導通模式(DCM),但其紋波較大,故采用多重化拓撲結構以彌補其缺陷,由此所需電感進一步減小[3]。另外,在DCM模式下,主開關關斷的頻率是其負載電流頻率的兩倍,開關的關斷損耗增大,DCM模式使得變換器效率降低[5]。本文采用一種控制型軟開關技術[6],不需要額外增加半導體器件,通過合理控制實現軟開關,從而減小了開關損耗,提高了變換器效率。
1 變換器拓撲結構及控制策略
1.1 變換器的拓撲結構及工作原理
本文采用的三重交錯式雙向DC/DC變換器由三個典型半橋式雙向DC/DC拓撲結構交錯并聯而成,其拓撲結構如圖1所示。

三個基本半橋的導通時間依次互錯1/3周期,且在每個周期導通時間相同,因此電感電流也依次互錯1/3周期,從而減小總電流的紋波。
當正向運行,即升壓運行時,下部開關Sd1、Sd2、Sd3處于斬波狀態,為主開關,上部開關Su1、Su2、Su3與同臂下部開關互補,為輔助開關。當反向運行,即降壓運行時,上部開關與下部開關主輔職能調換。
為了達到軟開關目的,在實際運行中上下開關驅動信號加入的死區時間,利用電感電流恒流源作用,使上下開關各自并聯的小電容能量在死區時間內得以交換,從而達到ZCS和ZVS。下面僅以單重半橋型雙向DC/DC變換器拓撲加以說明。
圖1中,iL1為電感L1的電流,規定如圖1中方向為正方向;Co為濾波電容;FWDu1及FWDd1分別為開關Su1和Sd1反向并聯的二極管;Cu1、Cd1為兩開關并聯的小電容。低壓側Vin由蓄電池或超級電容供電,高壓側Vo接電機等負載。當電機正向運行時,Sd1為斬波開關,Su1為輔助開關,能量由低壓側Vin流向高壓側Vo;當電機發生制動時,能量反向流動,上、下開關職能調換。現僅以boost工作模式加以說明。圖2所示為升壓模式下6個工作模態的關鍵波形。
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