雙向DC/DC變換器在電動汽車中的應用

2015-08-28 01:37:34武紅玉

河南科技 2015年3期

武紅玉

（許昌學院電氣（機電）工程學院，河南許昌461000）

1 引言

近年來由于環境污染和石油能源枯竭，傳統的內燃機汽車面臨前所未有的挑戰，世界各國對各種車輛能源結構進行大幅度調整。電動汽車具有較低排放或零排放、噪聲低、熱效率高、排放的廢熱少、可回收利用的能量多等特點，是目前緩解環境污染和能源短缺的有效途徑。用電池替代傳統的汽油作為車載能源是電動汽車的優勢，但是在現有技術發展不足的情況下，動力電池的性能是電動汽車產業化和實用化道路上亟待解決的重要問題之一。由于燃料電池的輸出電壓不穩且輸出特性偏軟，在燃料電池與逆變器之間需要增加一個DC變換器，DC變換器是電動汽車中能量管理單元的核心部件，應用正越來越廣泛，其研究和發展勢在必行。

電動汽車中的電動機既能在汽車啟動、加速時輸出能量，也能在再生制動時回饋吸收能量，是典型的有源負載。由于電動機需要頻繁加速、減速，轉速范圍寬且動力電池端電壓的變化范圍寬，與傳統的驅動方法相比，雙向DC/DC變換器不但能提高電機的驅動性能，還可以提高能量利用效率[1]。本文介紹了雙向DC/DC變換器的工作原理，根據電動汽車性能設計的要求,提出一種全橋串聯諧振雙向DC/DC變換器，可大大減少變換器的體積和重量，減小開關損耗，提高變換器效率。

2 雙向DC-DC變換器

2.1 雙向DC/DC變換器概述

常用的DC/DC變換器大多單向工作，如圖1所示。通常在單向DC/DC變換器（Unidirectional DC/DC Converter，UDC）中，主功率傳輸通路上有二極管，因此能量通過變換器流動的方向只能是單方向的。在圖2中能量只能從Vi流動到Vo，不能從Vo流向Vi。但是在需要能量雙向流動的條件下（Vi和Vo的電壓極性保持不變，并且可以是直流有源負載或直流電壓源，在不同時刻能量可以從Vi傳輸到Vo，也可以從Vo傳輸到Vi），如果仍然使用單向DC/DC變換器，則兩個單向DC/DC變換器需要被反向并聯。一臺單向DC/DC變換器來控制從Vi到Vo的能量流動，另一臺被反并聯的DC/DC變換器來控制從Vo到Vi的反向能量流動。由于使用了兩臺DC/DC變換器，總的電路結構更為復雜，變換裝置的體積變大，利用率和性價比降低，而且由正向到反向工作的切換時間比較長[2]。

雙向DC-DC變換器就是DC-DC變換器在雙象限下運行[3-4]，其輸入和輸出的電壓極性不變，但輸入和輸出的電流方向可以改變。通過雙向變換器的輸入與輸出接口的切換，可根據需要使功率在輸入端和輸出端之間雙向流動。傳統的DC-DC變換器單向工作，雙向DC-DC變換器相當于2個單向DC-DC變換器并聯的工作效果，達到了“一機兩用”功效，減少了功能器件的數目，提高了轉換器的切換速度，提高了轉換器效率。

圖1 單向DC/DC變換器

2.2 常用的雙向變換器結構

Bi Buck-Boost、Bi Buck/Boost、Bi Cuk、Bi Zeta-Sepic為雙向直流變換器，圖3和圖4給出的是雙向Buck/Boost和雙向Buck-Boost的電路圖。電路圖中的組成器件主要由磁性元件（電感或變壓器）、功率開關器件、輸出整流濾波電路3部分組成，這3部分是導致DC/DC變換器受到電磁干擾的主要器件。

傳統的變換器采用硬開關技術，硬開關工作狀態下電壓和電流變化很快，其波形出現明顯的過沖現象，導致出現明顯的開關噪聲，給功率器件帶來很高的電壓電流應力。而且開關損耗會隨著開關頻率的升高而增加，大大影響變換器高頻的目的，在硬開關過程中會產生極大的電磁干擾，不利于功率密度的提高。針對硬開關帶來的挑戰，行業對軟開關的諧振技術產生極大的興趣。諧振技術的軟開關就是利用電容和電感來改善開關器件的開關軌跡，構成電壓電流振蕩器，為開關管的零電壓開通，零電流關斷提供實現條件。本文提出的全橋串聯諧振雙向DC-DC變換器可有效解決硬開關引起的問題，減小開關損耗，降低開關管上的電壓/電流應力，提高變換器的效率。

3 全橋串聯諧振雙向DC-DC變換器

3.1 全橋串聯諧振雙向DC-DC變換器的工作原理

全橋串聯諧振雙向DC-DC變換器電路圖如圖5所示[5-6]。2個全橋連接著1個LC諧振槽和高頻變壓器。變壓器作為輸入端和輸出端的電氣隔離和電壓變換部分，電路結構的對稱性確保了能量的雙向流動。若負載短路，諧振電感可以有效阻止電流突增，有充分的保護電路的動作時間。另外，其負載側的濾波采用了容性濾波器，減小了變換器的體積和成本。輸出可以是直流電壓源，也可以是含有電容濾波器的電阻負載，都是可控整流。串聯諧振變換器的負載和諧振回路相串聯，串聯諧振槽與負載就類似于一個分壓器。當變換器工作頻率改變時，諧振槽的阻抗也會改變，負載上的分壓就會改變，即輸出電壓改變。所以串聯諧振變換器通過改變開關網絡的工作頻率即改變開關頻率fm與諧振頻率fr的偏離程度來達到調節輸出電壓的目的。2個橋的所有開關工作在50%的占空比，開關頻率比諧振頻率稍高，變換器就工作在電流模式下。

由于諧振槽的存在，流過功率開關管的電流都被整為正弦波，諧振槽阻抗的相位與fm和fr的比值有關。改變fm和fr的比值，即可改變流過主電路的電流與逆變橋輸出電壓之間的相位關系，這就使得主電路電流iLr或超前于或滯后于逆變橋的輸出電壓。正是由于主電路電流和逆變橋輸出電壓之間的這種相位差，開關管實現軟開關。