一種新型的零電壓開(kāi)關(guān)雙向DC-DC變換電源

引言

在許多場(chǎng)合下，需要有能將直流電源進(jìn)行雙向變換的裝置，以燃料電池為能源的電動(dòng)車(chē)驅動(dòng)系統，就是一例。在該系統中，同時(shí)具有普通酸鉛蓄電池和燃料電池，普通酸鉛蓄電池作為車(chē)輛冷起動(dòng)動(dòng)力，提供12～24V的低電壓電源。起動(dòng)后，用燃料電池提供150～300V的車(chē)輛驅動(dòng)電壓。因此，在電動(dòng)車(chē)起動(dòng)時(shí)，要求能將普通蓄電池輸出的12～24V直流電壓提升到150～300V，以起動(dòng)系統開(kāi)始工作。當系統進(jìn)入正常工作后，用燃料電池的電能，對酸鉛蓄電池進(jìn)行充電，以恢復電池的能量消耗。雙向DC-DC電源也可用于供電系統的直流操作電源中，供電系統的直流操作電源，通常用蓄電池作為后備電源，當使用雙向直流變換電源后，可有效地減少后備電池的數量。對雙向直流電源通常要求其具有高效、隔離、低輻射等特點(diǎn)，同時(shí)也要求電路結構簡(jiǎn)單，易于控制。

圖1　DC-DC雙向變換電路結構圖

系統的結構及工作原理

雙向直流變換系統的結構如圖1所示，高頻變壓器T兩側的電源電壓不同，電源能量能進(jìn)行雙向傳送。從電路結構看系統具有以下特點(diǎn)。

電路的特點(diǎn)

用變壓器作為隔離高、低壓側分別有既可整流又可逆變的變流裝置。用IGBT或MOSEFT管作為開(kāi)關(guān)器件構成橋式或半橋式整流逆變電路。若在圖1的整流逆變或逆變整流框中，用全橋電路代換之，則得到雙向DC-DC變換器主電路，如圖2所示。為充分發(fā)揮電路的功能，在高頻變壓器的右側接入一個(gè)電感Lk，用作電壓提升?？紤]到在保持功率平衡的條件下，需低壓側提供較大的電流，低壓側的電壓波動(dòng)對高壓側電壓的穩定影響較大，因此在高壓側接入儲能電感，這樣控制輸出電壓的效果更好。正常情況下的能量流向是，從高壓側向低壓側方向，低壓側的蓄電池處于充電狀態(tài)，另外低壓側負載需要消耗一定的能量。當能量從低壓側向高壓側流動(dòng)時(shí)，具有短時(shí)和大電流的特點(diǎn)，通常只在系統起動(dòng)或故障狀態(tài)下出現。

圖2　DC-DC雙向變換主電路原理圖

電路的工作原理

由于在MOSEFT管的d,s端或IGBT管的c,e端反并聯(lián)了二極管，因此2個(gè)橋式電路均具有整流功能，逆變時(shí)需要對MOSEFT或IGBT管加觸發(fā)脈沖。

低壓向高壓傳送能量的過(guò)程

當能量從低壓向高壓方向傳送時(shí)，要求M1～M4處于逆變狀態(tài)，S1～S4處于提升狀態(tài)。設：gMi為開(kāi)關(guān)器件Mi的門(mén)極控制電平。gSi為開(kāi)關(guān)器件Si的門(mén)極控制電平，

則

對gMi，gSi施加圖3所示的控制脈沖，M1，M4導通構成變壓器T左側的正向電流；M2，M3導通構成變壓器左側的反向電流。為實(shí)現器件的零電壓開(kāi)關(guān)在M1，M4和M2，M3換流過(guò)程中加入死區。對S1，S2不加觸發(fā)脈沖，對S3，S4加圖3所示的觸發(fā)脈沖起電壓提升作用。

圖3　能量從低壓向高壓流動(dòng)時(shí)的門(mén)極控制脈沖