一種改進型的交錯并聯雙向DC/DC變換器

徐忠良， 劉 軍， 黃 森， 唐 剛

(上海電機學院 電氣學院，上海 201306)

一種改進型的交錯并聯雙向DC/DC變換器

徐忠良， 劉 軍， 黃 森， 唐 剛

(上海電機學院 電氣學院，上海 201306)

針對傳統交錯并聯DC/DC變換器的開關器件應力高、輸入輸出電壓變換比小、輸入輸出電流紋波大等問題，設計了一種基于Z源網絡的改進型交錯并聯雙向DC/DC變換器；分析了該改進型變換器的工作原理和工作過程。實驗結果表明，該改進型變換器不僅能實現傳統變換器功率雙向傳輸的功能，且具有更高的電壓增益及更低的開關器件的電壓應力。實驗驗證了理論分析的正確性。

雙向DC/DC變換器； Z源網絡； 電壓應力； 電流紋波

直流電源系統在迅速發展的科技領域中的應用日益廣泛，其規格要求也越來越高。在電源系統中，體積更小、成本更低、更穩定、性能更高的DC/DC變換器設計的開發，成了電源技術研究的主要熱點之一[1]。蓄電池作為電動汽車的儲能單元，為驅動電動機運轉提供能量，而蓄電池頻繁充、放電會降低其使用壽命[2]。具有高比功率的超級電容為輔助電源與高比能量的動力蓄電池組成復合式電源系統，來作為電動汽車的儲能系統，不僅能滿足電動汽車高功率運轉的要求，且可延長動力蓄電池的使用壽命。

在儲能系統中，雙向DC/DC變換器作為能量雙向流動的橋梁有著重要的地位[3-5]。文獻[6-10]中提出的雙向DC/DC變換器采用了交錯并聯技術，該技術不但具有降低開關器件電壓應力和減小輸入/輸出電流紋波的特點，且有利于變換器的效率和動態響應的提高，被廣泛應用于燃料電池和UPS等不同領域。文獻[11-14]中針對變換器的結構提出了基于Z源網絡的新型變換器，降低了開關器件電壓應力及輸入/輸出電流紋波，但也降低了電路的動態響應速度。綜上所述，雖然傳統交錯并聯雙向DC/DC變換器具有結構簡單、可靠性強等特點，但其電路卻存在以下缺點：① 由于開關元器件電壓應力高，導致開關管難以選取；② 由于開關管工作在極端占空比狀態下，使得變換器的效率以及開關管的工作頻率難以得到提高，從而限制了輸入/輸出電壓變換比的提高。

針對上述的問題，本文設計了一種具有開關元器件電壓應力小、輸入/輸出電壓變換比高、輸入/輸出電流紋波小等優點的改進型交錯并聯雙向 DC/DC 變換器。實驗驗證了理論分析的正確性。

1 改進型變換器的拓撲結構及工作原理

圖1所示為改進型交錯并聯雙向DC/DC變換器。圖中，Ub、Ub1分別為超級電容、蓄電池兩端電壓；S1、S2、S3、Sf1、Sf2為開關管；Cd、Cd1為開關電容；虛框內為Z源網絡，該網絡為二端口網絡，具有單級升壓、降壓、無死區、電壓畸變小、可靠性等特點[3]，可以改善傳統兩相交錯并聯雙向DC/DC交換器存在的輸出電壓有限、增益較少、穩定性相對較差的不足。該改進型變換器的拓撲結構是在傳統交錯并聯雙向DC/DC變換器拓撲結構的基礎上，采用Z源網絡連接直流輸入和輸出，且加入開關管S3控制能量雙向傳輸，從而使得改進的電路拓撲不僅具有交錯并聯變換器的特性，還具有較大的輸入、輸出電壓變比以及更低的開關電壓應力。

1.1變換器工作過程

Z源網絡因電感L1=L2、電容C1=C2具有對稱性，由電路的等效性和對稱性得[10]

UL=UL1=UL2，UC=UC1=UC2

(1)

式中，UL1、UL2、UC1、UC2分別為開關管S1導通時L1、L2、C1、C2兩端的電壓。

由圖1可見，該改進型變換器主要運行于Boost和Buck工作模式。開關管S3共有兩種模態，由超級電容功率控制器控制S3的通斷。當電動汽車超車等加速時，車輛控制器通過超級電容功率控制使得S3斷開，此時，電路工作于Boost模式，瞬間給予電動機較大功率；當電動汽車剎車時，車輛控制器通過超級電容功率控制使得S3開通，此時，電路工作于Buck模式，能量反饋給超級電容。

圖1 改進型交錯并聯雙向DC/DC變換器

當變換器處于 Boost 工作模式時，瞬時高功率由超級電容和動力蓄電池共同提供，但蓄電池僅以最佳放電倍率提供能量；此時開關管 S1、Sf1及S2、Sf2的體二極管D2、Df2處于工作狀態。當變換器處于Buck工作模式時，電動汽車制動產生的能量回饋于超級電容，從而避免蓄電池頻繁地充、放電；此時，開關管S2、Sf2及S1、Sf1的體二極管D1、Df1處于工作狀態。以變換器處于Boost工作模式為例，開關管S3斷開、二極管D3開通,則電路共有4種模態。

模態1開關管S1、二極管Df2開通，開關管Sf1、二極管D2斷開。電感L3對電容Cd1充電,電感電流iL3下降，Cd1兩端電壓UCd1上升，電感L1、L2對電容C1、C2充電，電容Cd對蓄電池供電。

模態2開關管S1、Sf1和二極管D2開通，二極管Df2關斷，超級電容Ub對電感L3充電，iL3繼續上升，電感L1、L2繼續對電容C1、C2充電，電容Cd1對蓄電池供電。

模態3開關管S1和二極管Df2、D2斷開，開關管Sf1開通。超級電容Ub同時對電感L1、L2、L3充電，電容C1、C2放電，超級電容Ub協助Z源網絡以及緩沖電容Cd1對電容Cd和蓄電池充電。

模態4與模態2相同。

根據上述分析可得到電路在1個開關周期Ts內的主要工作波形，如圖2所示。

圖2 Boost模式電路主要工作波形

2 穩態性能分析

2.1穩態電壓增益

為簡化分析，假定電路中元器件為理想元器件，且各電感值均相等，以電路處于Boost工作模式為例，可得各模態穩態時電壓狀態方程如下：

(1) 模態1

Ub=UL3+UCd1，UC=UL，Ub1=UCd

(2)

(2) 模態2或模態4

UL3=Ub，UC=UL，Ub1=UCd1

(3)

(3) 模態3

UL3=Ub，Ub=UC+UL1

Ub1=UCd1+2UC-Ub

(4)

根據電容Cd1和Cd的A·s(安秒)平衡原理及電感L3的V·s(伏秒)平衡原理可得:

(5)

式中，M(d)為電壓變換比；d為變換器導通占空比；R為電路輸出等效阻抗。

同理，當電路工作于Buck模式時可得：

(6)

由式(5)～(6)可知，改進型交錯并聯雙向DC/DC變換器處于Boost和Buck工作模式時，其變換比較傳統的交錯并聯雙向DC/DC變換器的變換比得到較大提高。

2.2開關管電壓應力

任意兩種相同輸入、輸出電壓及相同負載的電路拓撲，其開關管所承受的電壓應力都不同[15]。假定改進型變換器與傳統DC/DC變換器的輸入電壓為Ui，輸出電壓為Uo，通過計算得出兩種變換器的開關管電壓應力如表1所示。

表1 兩種變換器開關管電壓應力比較

由于改進型變換器的Ui與Uo極性相同，而傳統Buck-Boost變換器的Ui與Uo極性相反，故改進型DC/DC變換器開關管的電壓應力較小。

2.3電流紋波

改進型DC/DC變化器在輸入/輸出電流紋波方面也具備交錯并聯變換器的特點。以電路處于Boost工作模式為例，由于改進型變換器依然為兩相交錯，故其總輸出電流紋波為

(7)

式中，m為不大于2d的最大整數；L為電路電感；fs為開關頻率。該改進型DC/DC變換器的開關占空比為0

ΔI=Uo(1-2d)/(Lfs)

(8)

由式(8)可知，改進型雙向DC/DC變換器能夠有效降低輸入/輸出電流紋波。

3 控制策略分析

改進型雙向DC/DC變換器的控制策略的關鍵在于既要實現改進型變換器的優勢，又要確保對能量雙向流動的控制。其控制策略包括開關管的交錯控制和能量的雙向控制兩個方面。為了保證改進型變換器具有交錯并聯的特性，對其開關管采用移相控制，如變換器處于Boost工作模式時，開關管S1、Sf1的驅動信號相差180°。能量的雙向流動是指超級電容的充、放電兩種狀態，故只需控制兩端電壓和電流便可控制能量的流動方向，而該變換器中開關管S3則由車輛控制器控制通斷。開關管S3斷開變換器處于Boost工作模式，則能量正向流動；開關管S3開通變換器處于Buck工作模式，則能量反向流動。

4 實驗結果

實驗室中，利用30 W小功率樣機驗證改進型交錯并聯雙向DC/DC變換器理論分析的正確性。該樣機低壓側為8 V，高壓側為40 V,采用FDA59N30型MOSFET開關器件；L1=L2=L3=250 μH;C1=C2=50 μF；Cd=470 μF，Cd1=1 mF；fs=50 kHz。采用PWM控制策略為樣機輸入信號，通過調節占空比可得到所需輸出電壓。

圖3給出了Boost模式下的實驗波形。

由圖3(a)可知，二極管Df2兩端電壓降低。由圖3(b)可知，由于電感L3在Z源網絡阻抗電流的交錯作用下，輸入總電流的紋波大幅度減小；由圖3(c)可知，輸出高壓側電壓為40 V，實現大變換比功能，開關電容的電壓約為20 V且在一個周期內有較明顯的充、放電，實驗結果驗證了理論分析的正確性。

5 結 語

本文分析了改進型交錯并聯雙向DC/DC變換器工作原理，實驗結果表明，該變換器具有電壓變換比高、具有輸入輸出電流紋波小、開關器件電壓應力低等優點。

[1] 房緒鵬，莊見偉，李輝. 一種新型雙向DC-DC變換器 [J].工礦自動化,2016,42(9):52-56.

[2] 陸治國，祝萬平，劉捷豐,等.一種新型交錯并聯雙向DC/DC變換器 [J].中國電機工程學報,2013,33(12):39-46，184.

[3] 胡斯登,梁梓鵬，范棟琦，等.基于Z源變換器的電動汽車超級電容-電池混合儲能系統 [J].電工技術學報，2017,32(8):247-255.

[4] 張釗，王景芹，王歡，等.六重交錯并聯雙向DC/DC變換器設計 [J].電子產品世界,2017,24(4):66-69，56.

[5] 童亦斌，吳峂，金新民，等.雙向DC/DC變換器的拓撲研究[J].中國電機工程學報，2007,27(13):81-86.

[6] 肖華鋒，謝少軍.一種適合UPS應用的新型零電壓開關雙向DC-DC變換器 [J].中國電機工程學報，2007,27(36):97-102.

[7] LI Wuhua，HE Xiangning. A family of isolated interleaved Boost and Buck converters with winding-cross-coupled inductors [J].IEEE Transactions on Power Electronics,2008,23(6):3164-3173.

[8] 陳明，汪光森，馬偉明. 多重化雙向DC-DC變換器PI滑模變結構控制策略研究 [J].電力自動化設備，2008,28(4):53-57.

[9] 胡雪峰，龔春英. 適用于光伏/燃料電池發電的組合式直流升壓變換器 [J].中國電機工程學報，2012,32(15):8-15，20.

[10] HSIEH Y C，HSUEH T C,YEN H C. An interleaved boost converter with zero voltage transitiong [J].IEEE Transactions on Power Electronics,2009,24(4):973-978.

[11] PHAM C T，SHEN Anwen, DZUNG P Q, et al. Acomparison of control methods for Z-source inverter [J].Energy and Power Engineering,2012,4(4):187-195.

[12] MUBEEN C S, KISHOR G. Digital simulation of current fed quasi-Z source inverter [J]. International Journal of Engineering Research and Applications,2013,3(4):2382-2388.

[13] 王利民，錢照明，彭方正.Z源升壓變換器 [J].電氣傳動，2006,36(1)：28-29,32.

[14] 夏鯤，曾彥能，葛越,等.準Z源升壓變換器的軟開關技術仿真研究 [J].系統仿真學報，2015,27(3):656-661.

[15] 房緒鵬，馬伯龍，董召龍,等.一種準Z源升壓型DC-DC變換器 [J].工礦自動化，2017,43(4):68-71.

Improved Interleaved Parallel Bidirectional DC/DC Converter

XUZhongliang,LIUJun,HUANGSen,TANGGang

(School of Electrical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

Aimed at shortages of traditional Buck-Boost converters such as high voltage stress of switches, low input and output voltage conversion ratio and high input and output current ripple，an improved interleaved parallel bidirectional DC/DC converter is proposed using a Z-source network. Experimental results show that the improved converter can realize bidirectional power transmission with higher voltage gain and lower voltage stress, showing correctness of the theoretical analysis.

bidirectional DC/DC converter; Z-source network; voltage stress; current ripple

TM 564.3

A

2017 -06 -28

上海電機學院登峰學科建設項目資助(15DFXK01)

徐忠良(1989-)，男，碩士生，主要研究方向為電力電子技術，E-mail:415323410@qq.com

2095 - 0020(2017)04 -0232 - 05