用于電動汽車的多重化軟開關(guān)雙向DC/DC變換器的研究

電動汽車在運(yùn)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(wěn)定的直流母線電壓。另外，在電動汽車制動時(shí)，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(xiàn)[1]通過對比幾種典型雙向DC/DC變換器發(fā)現(xiàn)，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(yīng)力較小?；景霕蛐屯?fù)浣Y(jié)構(gòu)運(yùn)用在大功率負(fù)載時(shí)，所需開關(guān)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(xiàn)[2-3]采用多重化半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，降低了開關(guān)管功率等級，減小所用電感和電壓電流紋波，但開關(guān)損耗問題仍有待解決。參考文獻(xiàn)[4]采用一個(gè)震蕩電感加二重雙向DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，運(yùn)用軟開關(guān)技術(shù)提高效率，但增加了一個(gè)電感元件和兩個(gè)開關(guān)，導(dǎo)致成本增加。
為獲得較高的功率密度，可將變換器設(shè)計(jì)在非連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM），但其紋波較大，故采用多重化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以彌補(bǔ)其缺陷，由此所需電感進(jìn)一步減小[3]。另外，在DCM模式下，主開關(guān)關(guān)斷的頻率是其負(fù)載電流頻率的兩倍，開關(guān)的關(guān)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(guān)技術(shù)[6]，不需要額外增加半導(dǎo)體器件，通過合理控制實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，從而減小了開關(guān)損耗，提高了變換器效率。
1 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略
1.1 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理
本文采用的三重交錯(cuò)式雙向DC/DC變換器由三個(gè)典型半橋式雙向DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)交錯(cuò)并聯(lián)而成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

三個(gè)基本半橋的導(dǎo)通時(shí)間依次互錯(cuò)1/3周期，且在每個(gè)周期導(dǎo)通時(shí)間相同，因此電感電流也依次互錯(cuò)1/3周期，從而減小總電流的紋波。
當(dāng)正向運(yùn)行，即升壓運(yùn)行時(shí)，下部開關(guān)Sd1、Sd2、Sd3處于斬波狀態(tài)，為主開關(guān)，上部開關(guān)Su1、Su2、Su3與同臂下部開關(guān)互補(bǔ)，為輔助開關(guān)。當(dāng)反向運(yùn)行，即降壓運(yùn)行時(shí)，上部開關(guān)與下部開關(guān)主輔職能調(diào)換。
為了達(dá)到軟開關(guān)目的，在實(shí)際運(yùn)行中上下開關(guān)驅(qū)動信號加入的死區(qū)時(shí)間，利用電感電流恒流源作用，使上下開關(guān)各自并聯(lián)的小電容能量在死區(qū)時(shí)間內(nèi)得以交換，從而達(dá)到ZCS和ZVS。下面僅以單重半橋型雙向DC/DC變換器拓?fù)浼右哉f明。
圖1中，iL1為電感L1的電流，規(guī)定如圖1中方向?yàn)檎较颍籆o為濾波電容；FWDu1及FWDd1分別為開關(guān)Su1和Sd1反向并聯(lián)的二極管；Cu1、Cd1為兩開關(guān)并聯(lián)的小電容。低壓側(cè)Vin由蓄電池或超級電容供電，高壓側(cè)Vo接電機(jī)等負(fù)載。當(dāng)電機(jī)正向運(yùn)行時(shí)，Sd1為斬波開關(guān)，Su1為輔助開關(guān)，能量由低壓側(cè)Vin流向高壓側(cè)Vo；當(dāng)電機(jī)發(fā)生制動時(shí)，能量反向流動，上、下開關(guān)職能調(diào)換。現(xiàn)僅以boost工作模式加以說明。圖2所示為升壓模式下6個(gè)工作模態(tài)的關(guān)鍵波形。

模式1(T0≤t＜T1）
由于變換器工作在DCM狀態(tài)，電感L1較小，在T0時(shí)刻，i_L1達(dá)到負(fù)向最小值i_L1(T0)，二極管FWDd1 ZVS導(dǎo)通。電感電流線性增加，此狀態(tài)以開關(guān)Sd1獲得導(dǎo)通驅(qū)動信號為止。

二極管FWDd1自然導(dǎo)通，開關(guān)Sd1擁有導(dǎo)通驅(qū)動信號，但由于電感電流iL1仍為負(fù)，開關(guān)Sd1未導(dǎo)通，此狀態(tài)以電感電流iL1上升至零截止。

1.2 變換器的控制策略
本文采用電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)，可穩(wěn)定直流母線電壓，即DC/DC變換器高壓側(cè)電壓，使其不隨蓄電池電壓變化而變化；此外，在負(fù)載變化時(shí)，保證了直流母線電壓在較快時(shí)間內(nèi)得以穩(wěn)定。
采用電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)，可以將電動汽車制動剎車時(shí)直流母線側(cè)能量以可控的方式對蓄電池組進(jìn)行充電；另一方面，共用一個(gè)電壓外環(huán)，保證并聯(lián)各個(gè)基本變換器電應(yīng)力和熱應(yīng)力的均勻合理分配，以實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)中各基本變換器自動平衡均流[7]。本文采用雙閉環(huán)控制方式，如圖3所示。