一種車用雙電源系統中新型雙向DC-DC變流器研究*

房緒鵬　莊見偉　李輝　許玉林（山東科技大學，青島 266590）

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一種車用雙電源系統中新型雙向DC-DC變流器研究*

房緒鵬莊見偉李輝許玉林
（山東科技大學，青島 266590）

【摘要】為解決汽車雙電源供電系統中功率流向分配以及能量雙向饋送的問題，針對傳統非隔離雙向Buck-Boost變流器存在的不足，提出了一種新型雙向功率流DC-DC變流器，采用準阻抗源網絡，提高了雙向直流變流器的功率轉換效率以及抗電磁干擾能力，分析了這種新型拓撲的雙向工作原理和過程。試驗結果表明，該變流器可實現能量的雙向流動，且每一功率流方向可升、降壓，電壓增益較高。此外，它還具有體積小、質量輕、成本低的優點，為降低電源造價以及減小車載空間提供了條件。

主題詞：雙電源供電系統雙向DC-DC變流器準阻抗源網絡能量雙向流動

1　引言

隨著汽車電氣化和電子技術的迅速發展，汽車電子設備的應用對電源容量的需求日益增長，作為過渡階段的42 V/14 V雙電源供電系統已經成為國內外汽車領域近期的研發熱點［1］。隨著42 V/14 V供電技術的不斷發展，雙電源供電系統的研發顯示出越來越關鍵的地位，同時，也會逐步推動高壓電源在汽車電氣系統上的推廣和應用［2］。

近年來，雙向功率流DC-DC變流器逐漸成為功率變換技術的研究熱點之一，在汽車42 V/14 V雙電源供電系統中可以作為能量交換的橋梁實現功率流的管理和分配［3］，而傳統的42 V/14 V雙電源供電系統以非隔離型雙向Buck-Boost直流變流器為基礎，其雖結構簡單、控制方便，但輸出反極性電壓且紋波較大，蓄電池兩端易產生脈動干擾，影響蓄電池壽命，并且其轉換效率低、可靠性差等缺陷也制約了車載電源系統的發展［4］。為了提高42 V/14 V雙電源供電系統的性能和功率轉換效率，本文提出了一種新型非隔離雙向功率流準阻抗源DC-DC變流器，相比傳統的雙向變流器，這種新型電路拓撲由于設置了獨特的準阻抗源網絡，電路具有很高的可靠性，可以保持電感、電流連續，避免雙向電力電子開關器件共態導通或共態關斷時損壞電力電子器件［5］。此外，它還具有變壓精度高、抗電磁干擾能力強、開關電壓應力較小的優勢，克服了傳統雙向DC-DC變流器的缺陷，為直流變換器的發展作了理論和實際鋪墊［6］。

2　汽車42 V/14 V雙電源供電系統

汽車42 V/14 V雙電源供電系統的基本組成部分為ISA模塊和雙向功率流DC-DC變流器，如圖1所示。ISA模塊由起動機/發電機和整流逆變功率轉換器構成，汽車發動后，發電機發出42 V交流電，經整流功率變換器變為42 V直流電向42 V負載供電并為36 V蓄電池充電，同時經雙向功率流準Z源DC-DC變流器降壓為14 V直流電，向14 V直流負載供電并為12 V蓄電池充電［7］。

圖1　汽車42 V/14 V雙電源供電系統

3　雙電源供電系統的新型雙向準Z源DC-DC變流器

在汽車雙電源供電系統中，融入本文提出的新型雙向功率流準Z源DC-DC變流器，在輸入直流電源和負載之間采用準Z源網絡連接，其主電路結構如圖2所示。其中準Z源網絡包含由2個電感（L1和L2）和2個電容器（C1和C2）以及雙向電力電子開關構成的網絡。U42為汽車起動機/發電機經整流器產生的直流電壓，R42為42 V用電負載，高壓側蓄電池額定電壓為36 V，電容器C42具有維持輸入電壓穩定的作用，U14為經雙向DC-DC變流器轉換后的低壓側直流電源，低壓側蓄電池電壓為12 V，R14為14 V用電負載，C14為低壓側電容，具有濾波的作用［7］。

雙向功率流DC-DC變流器在汽車雙電壓供電系統中有著非常關鍵的作用，它不僅可以把42 V直流電降壓為14 V直流電向低壓側供電，而且當高壓側能量不足或出現故障時，低壓側蓄電池還能經雙向DC-DC變流器向高壓側提供能量，通過控制導通占空比的大小，即可得到高壓側適用的直流電壓。

圖2　雙電源供電系統雙向準Z源DC-DC變流器主電路拓撲

4　雙向功率流準Z源DC-DC變流器拓撲工作模式

4.1正向工作模式

電感L1和L2具有相等的電感量，電容器C1和C2具有相等的電容量，故準Z源網絡對稱，由電路的對稱性和等效性可知［8］：

式中，UL1、UL2、UC1、UC2分別為開關V1導通時電感L1、L2和電容器C1、C2兩端電壓；U′L1、U′L2、U′C1、U′C2分別為開關V2導通時電感L1、L2和電容器C1、C2兩端電壓。

當功率流正向傳輸時，2個MOSFET開關器件V1和V2采取互補導通方式，其等效電路如圖3a。在1個開關周期T內，開關V1導通的時間為t1=DT，式中D為占空比。假設電容器C1和C2的電流參考方向向上，則

式中，Ui為輸入電壓；UL為電感L兩端電壓。

在1個周期T內，開關V2導通的時間為t2=（1-D）T，其等效電路如圖3b，則

式中，Uo為輸出電壓。

根據穩態電感磁通守恒定律，1個電源周期t2內，電感L兩端電壓UL對時間的積分為0，則

將式（1）～式（3）帶入式（4），得

圖3　功率正向等效電路

4.2反向工作模式

當功率流反向傳輸時，V1和V2采取互補導通方式，其等效電路如圖4a。在1個開關周期T內，開關V1導通的時間為t1=DT，則

在1個周期T內，開關V2導通的時間為t2=（1-D）T，其等效電路如圖4b，則

圖4　功率反向等效電路

根據穩態電感磁通守恒定律，1個電源周期t2內，電感L兩端電壓UL對時間的積分為0，則

將式（1）、式（6）、式（7）帶入式（8），得

綜上所述，對于本文所提出的雙向功率流準Z源DC-DC變流器拓撲，根據電流方向切換其工作模式即可實現能量的雙向流動，通過改變占空比可得到任意輸出電壓。

5　電壓增益關系式驗證

根據雙向準Z源DC-DC變流器的功率正向和反向的電壓增益公式，利用Matlab/Figure繪制了輸入電壓、導通占空比以及輸出電壓的三維曲線，如圖5所示。圖5a為功率正向降壓工作模式，輸出電壓隨著占空比的減小而減小，取D=0.399 4、Ui=41.82 V，可得Uo= 14.01 V；圖5b為功率反向升壓工作模式，輸出電壓隨著占空比的增大而增大，取D=0.399 4、Ui=14.04 V，可得Uo=41.91 V。由圖5可知，本文提出的雙向DC-DC變流器因具有較寬范圍的輸入電壓而可以保證輸出電壓的穩定性，只需設定導通占空比D=0.4左右，就可以完成汽車42 V/14 V雙電源供電系統中電壓的相互轉換，既能夠充分利用功率器件，又可保證器件不致過度發熱，提高了電路的可實現性和穩定性。本文采用SG3525PWM控制器，占空比調節范圍為0～0.5，并可精確到0.001左右，以電壓14 V轉42 V為例，輸出電壓可控制在41.65～42.35 V，在實際應用誤差范圍內。

圖5　雙向準Z源DC-DC變流器電壓增益三維曲線

6　與傳統非隔離型雙向Buck-Boost的性能對比

6.1電壓增益對比

根據傳統非隔離型雙向Buck-Boost直流變換器的電壓增益公式以及雙向準Z源DC-DC變流器的電壓增益公式，利用Matlab/Figure軟件繪制了電路拓撲電壓增益與導通占空比曲線，如圖6所示。在0＜D＜0.5條件下，雙向準Z源DC-DC變流器正向QZC為降壓階段，反向QZC為升壓階段，反向QZC理論上可以實現無限高的輸出電壓，且在同樣占空比條件下雙向準Z源直流變流器的輸出電壓遠遠高于正向Buck-Boost變換器，這樣系統可以獲得較高的電壓而開關導通時間較短，有利于功率開關器件的散熱，提高了系統的工作效率［9］。

圖6　電壓增益與占空比的關系

6.2開關電壓應力的對比

對具有同樣的輸入、輸出電壓、負載、開關頻率的2種不同的電路拓撲，功率開關器件承受的電壓應力也有所不同［9］。假設雙向準Z源DC-DC變流器和傳統非隔離型雙向Buck-Boost變換器的輸入電壓均為Ui，輸出電壓均為Uo，且令傳統非隔離型雙向Buck-Boost變換器主開關器件的占空比分別為D1和D2，通過計算即可得到拓撲功率開關的電壓應力以及開關導通比，如表2所示。

表2　拓撲開關電壓應力對比

由表2知，當2個電路拓撲工作在功率正向狀態時，由于正向Buck-Boost變換器的輸出電壓與電源電壓極性相反，所以本文所提出的雙向準Z源直流變流器在正向QZC工作狀態時，主功率開關V1具有較小的開關電壓應力。此外，由于本文所提出的新型直流變流器設置了獨特的準Z源網絡，電路具有較高的可靠性，可以保持電感電流連續工作模式，同時可避免雙向電力電子開關器件共態導通或共態關斷時損壞電力電子器件。

7　試驗樣機結果驗證

為了驗證理論分析的正確性，構建了試驗樣機電路模型，對本文的雙向功率流準阻抗源DC-DC變流器在電感電流連續模式下進行了開環試驗驗證。因42 V/14 V汽車雙電源供電系統中開關電壓等級為30～100 V，為滿足開關器件的耐壓參數以及減少開關器件的功率損耗，選擇型號為FQA38N30的MOSFET開關器件。試驗樣機電路采用PWM的控制策略，通過控制器SG3525產生2路互補的PWM控制信號，分別控制V1、V2的開通與關斷，其他參數如表3所示。

表3　雙向準Z源DC-DC變流器試驗參數

功率正向流動時，交流電經整流橋KBPC5010后接穩壓電容C42，得到輸入直流電壓Ui=41.7 V，通過調節控制器SG3525使占空比D≈0.4，即得到汽車14 V電壓，測得的試驗電壓波形如圖7所示。

功率反向流動時，輸入直流電壓Ui=14.1 V，只需保持占空比D≈0.4不變，即可得到42 V輸出電壓，測得試驗波形如圖8所示。

圖7　42 V轉14 V試驗電壓波形

圖8　14 V轉42 V試驗電壓波形

由圖7a和圖8a結果可知，本文提出的新型雙向DC-DC變流器可完成汽車雙電源42 V與14 V電壓的相互轉換，且輸出電壓與理論值相差不大。圖7b、圖7c和圖8b、圖8c中雙向開關器件的壓降都在70 V左右，符合MOSFET開關器件的耐壓范圍。由于受開關內阻等因素的影響，輸出電壓結果與理論值存在一定的差異，但試驗與理論結果在誤差允許范圍內，不影響系統的正常工作狀態。

參考文獻

1紀新宇.汽車42 V/14 V電氣系統關鍵技術研究［學位論文］.重慶：重慶大學，2007.

2李鑫.汽車42 V/14 V電源管理系統研究［學位論文］.重慶：重慶大學，2008.

3王豐，炒敏，李晶，等.雙向DC-DC變換器在汽車雙電壓系統中的應用研究.中國電工技術學會電力電子學會第十一屆學術年會，杭州，2008.

4彭方正，房緒鵬，顧斌，等.Z源變換器.電工技術學報，2004，19（2）：47～51.

5Cao D，Peng F.A family of Z-source and quasi-Z-source dc-dc converter.in Proc.IEEE Applied Power Electronics Conference，Washington，DC，2009.

6Yang L，Qiu D，Zhang B，et al.A quasi-Z-source DC-DC converter.Energy Conversion Congress and Exposition，Pittsburg，2014.

7炒敏，卓放，王豐，等.下一代雙電壓汽車用能量雙向饋送DC-DC變換器.電源世界，2008（9）：24～27.

8王利民，錢照明，彭方正.Z源升壓變換器.電氣傳動，2006，36（1）：28～29，32.

9王利民，錢照明，彭方正.Z源直流變換器.電氣應用，2005，24（2）：123～124，49.

（責任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2016年5月6日。

中圖分類號：U463；TM46

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3703（2016）07-0012-05

*基金項目：山東科技大學研究生創新基金項目（YC140337）。

Research on a Novel Bi-directional DC-DC Converter for Vehicle Double-power Supply System

Fang Xupeng，Zhuang Jianwei，Li Hui，Xu Yulin
（Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590）

【Abstract】To solve the problem of power flow distribution and energy bi-directional feed in the vehicle doublepower supply system，and eliminate the defect of traditional non-isolated bidirectional Buck-Boost converter，the paper proposes a novel bidirectional power flow DC-DC converter with unique quasi-Z-Source network that can improve the power conversion efficiency and the ability of resistance to electromagnetic interference of bidirectional DC-DC converter and analyzes the bidirectional working principle and process of this novel topology.The experimental results show that the novel bidirectional DC-DC converter can not only realize the bidirectional power flow，but also its each power flow direction possesses the function of buck-boost and its voltage gain is higher.In addition，this new type DC-DC converter has advantages of small volume，light weight，low cost and provide conditions for reducing the power cost and the automobile space.

Key words:Double-power supply system，Bidirectional DC-DC converter，Quasi-Z-source network，Bidirectional power flow