多通道雙向DC／DC變換器的研究

摘要：提出一種適合于混合動(dòng)力系統的多通道雙向DC／DC變換器，該變換器簡(jiǎn)化了包含多個(gè)儲能器件的混合動(dòng)力系統結構，在負載不工作時(shí)可利用太陽(yáng)能為儲能器件充電。運用同步整流技術(shù)，減小變換器工作過(guò)程中的通態(tài)損耗，確保變換器具有較高的工作效率。詳細分析了該變換器在各個(gè)工作狀態(tài)下能量轉移的路徑，并通過(guò)一臺50 W樣機驗證了原理的正確性。

關(guān)鍵詞：變換器；多通道；同步整流

1 引言

近年來(lái)，環(huán)境和能源問(wèn)題成為世界各國關(guān)心的熱點(diǎn)問(wèn)題。隨著(zhù)環(huán)境污染和能源危機的加重，可大幅度降低油耗、減少污染的混合動(dòng)力系統，已經(jīng)成為新型動(dòng)力汽車(chē)領(lǐng)域的重要研究方向。在混合動(dòng)力系統中，雙向DC／DC變換器是能量流動(dòng)的重要環(huán)節。應用于該系統的傳統雙向DC／DC變換器是單通道的，往往需要多個(gè)雙向DC／DC變換器才能實(shí)現蓄電池、超級電容器等多個(gè)儲能器件與直流母線(xiàn)連接，這必然增加電感和開(kāi)關(guān)管的數量。能量在多個(gè)儲能器件和直流母線(xiàn)間傳遞時(shí)，需要各個(gè)雙向DC／DC變換器按照一定邏輯順序進(jìn)行工作，這樣就需要多路控制信號，所以這種系統的結構和控制方法非常復雜。

這里提出一種多通道雙向DC／DC變換器，該變換器不僅簡(jiǎn)化了系統結構，還可利用太陽(yáng)能在負載不工作時(shí)為系統中的儲能器件充電。用功率MOSFET代替二極管，實(shí)現了能量?jì)H需通過(guò)一個(gè)雙向DC／DC變換器就可在多個(gè)儲能器件與直流母線(xiàn)之間傳遞的功能。

2 拓撲結構與工作原理

圖1示出多通道DC／DC變換器。其拓撲結構本質(zhì)上是一個(gè)雙向Buck-Boost電路。VQ1，VQ3和VQ5分別控制能量是否可以通過(guò)超級電容器(S-C)通道、DC Bus通道和蓄電池(VRLA)通道。VQ6，VQ7組成一個(gè)雙向開(kāi)關(guān)。其中僅有VQ2或VQ4工作于PWM模式，其他各開(kāi)關(guān)管多工作于常開(kāi)或常閉狀態(tài)，相互配合來(lái)控制能量在各通道間的流動(dòng)。

儲能器件向直流母線(xiàn)端傳遞能量時(shí)，電路正向工作于Boost狀態(tài)。VQ4為主開(kāi)關(guān)，工作于PWM模式。分別給VQ1，VQ5施加開(kāi)通信號，使VQ1，VQ5工作于反向導通狀態(tài)，VQ2工作于同步整流狀態(tài)，VQ3保持導通。此時(shí)，若VQ7導通，電流會(huì )流入PV通道，直流母線(xiàn)將不能獲得最大功率，而且將損壞光伏電池；若VQ6導通，則會(huì )有電流從PV通道流出，干擾正常的功率傳輸，所以VQ6，VQ7組成的雙向開(kāi)關(guān)要處于關(guān)斷狀態(tài)，以避免上述這兩種不允許狀態(tài)的出現。此時(shí)等效電路如圖2所示。

電路反向工作于Buck狀態(tài)時(shí)，即儲能器件處于充電狀態(tài)。此時(shí)VQ2為主開(kāi)關(guān)，工作于PWM模式。若負載處于工作狀態(tài)，則能量從直流母線(xiàn)端回饋，給VQ3施加占空比為1的觸發(fā)信號，使其工作于反向導通狀態(tài)。VQ4工作于同步整流狀態(tài)。

通過(guò)判斷S-C通道是否充滿(mǎn)，來(lái)決定對VQ1的控制。若未充滿(mǎn)，則使VQ1導通，VQ5關(guān)斷，能量可從直流母線(xiàn)方向回饋到S-C通道；若已經(jīng)充滿(mǎn)，則關(guān)斷VQ1，打開(kāi)VQ5，能量從直流母線(xiàn)方向回饋到VRLA通道中。若儲能器件都已充滿(mǎn)，則繼續維持VQ1關(guān)斷，VQ5導通，使VRLA處于浮充狀態(tài)。VQ6，VQ7仍然保持關(guān)斷，以避免出現之前提到的不允許狀態(tài)。此時(shí)等效電路如圖3所示。

若負載未處于工作狀態(tài)，直流母線(xiàn)側已經(jīng)停止向儲能器件回饋能量，則VQ3關(guān)斷，VQ6正向導通，VQ7反向導通，能量從PV通道流向儲能器件。其他各個(gè)開(kāi)關(guān)管工作情況與系統處于工作狀態(tài)時(shí)相同。此時(shí)通過(guò)光伏電池給儲能器件充電，利用清潔能源的同時(shí)，保證了儲能器件不會(huì )斷電。光照不足時(shí)，需負載繼續工作為儲能器件充電。此時(shí)等效電路如圖4所示。

3 多通道雙向DC／DC變換器調制策略

同步整流技術(shù)是一種減小DC／DC轉換器導通損耗的新技術(shù)。它采用通態(tài)電阻極低的功率MOSFET取代整流二極管，在大電流情況下，可大幅度降低開(kāi)關(guān)管損耗。功率管作為同步整流管時(shí)，與作為開(kāi)關(guān)管使用時(shí)完全不同，同步整流管是將功率管漏極和源極反接，因其反向導通阻抗低，在導通時(shí)，相當于將其體二極管短路，所以減小了變換器的導通損耗。通常功率MOSFET被當作開(kāi)關(guān)使用，所以反向導通的特性很少被利用。

變換器中每個(gè)通道的入口都有一個(gè)開(kāi)關(guān)管用于控制能量是否可以通過(guò)此通道。若需能量流入該通道，則使開(kāi)關(guān)管處于正向導通狀態(tài)；若需能量流出，則使開(kāi)關(guān)管處于反向導通狀態(tài)。此時(shí)工作原理與同步整流類(lèi)似，是利用同步整流管導通阻抗低的特性來(lái)取代P-N結上的壓降，使部分功率MOSFET工作于反向常通或正向關(guān)斷狀態(tài)，通過(guò)多個(gè)功率MOSFET的不同工作狀態(tài)相互配合來(lái)控制能量的流動(dòng)方向。