二相交錯并聯雙向DC/DC變換器的研究

唐剛 劉軍

（上海電機學院電氣學院，上海 201306）

二相交錯并聯雙向DC/DC變換器的研究

唐剛 劉軍

（上海電機學院電氣學院，上海 201306）

一般雙向DC/DC變換器需要通過DC/AC/DC轉換，不具備軟開關技術，針對這一問題，設計一種二相交錯雙向DC/DC變換器，結合PWM控制，實現零電壓導通和零電流關斷，通過MATLAB/SIMULINK仿真驗證其雙向輸出穩定性，具有快速響應的特點。

交錯并聯；雙向；變換器

雙向DC/DC變換器向來都是電源設計的重要部分，不僅在蓄電池方面起著重要作用，在航天電源、電動汽車車載電源方面也起著不可替代的作用。近年來，雙向DC/DC變換器備受關注，應用更加廣泛，不單單是可以將高壓側電壓通過DC/DC轉化為低壓供給低壓側需求，現已增添可以將低壓側低電壓通過DC/DC變換器轉化為高壓在高壓側存儲起來。在功能方面實現雙向的傳達，在能源方面起到節省作用。同時，可以收集低壓側，以便于下次利用，清潔無污染。

1 雙向DC/DC變換器主要電路拓撲

雙向DC/DC變換器研究較多，截至目前，已經出現許多關于DC/DC變換器的拓撲結構，如武林等［1］提出的一種隔離式雙向全橋DC/DC變換器的控制策略，杜少武等［2］提出的一種新型雙向DC/DC變換器的仿真研究，姚道如［3］電動汽車用雙向DC/DC變換器研究等，上述文獻中采用DC/DC變換器需要經過DC-AC-DC變換，中間需要添加變壓器，首先將直流電逆變變換為交流電，經過隔離變換器變壓后，將交流電整流為直流電，中間添加隔離變壓器，存在能量損耗大、響應緩慢等問題，為此提出一種新型二相交錯并聯雙向DC/DC變換器，采用非隔離式，將2個雙向半橋DC/DC變換器并聯得到，并聯2個單元依次交替相差180°，導通時間相同，升壓采用Boost變換，降壓采用Buck變換，整體拓撲結構如圖1所示。

圖1 二相交錯并聯雙向DC/DC變換器

2 工作原理

由圖1可知，當變換器工作在Boost模式時，其能量從左側V1流向右側V2，此時S1、S3參與工作，S2、S4停止工作，與S2、S4并聯的二極管D2、D4充當續流二極管，導通電路的作用，具體見表1。

表1 Boost模式下能量流通情況

在實際工程中，對于開關管S1、S3的導通時間占空比D，分2種情況出現，即0＜D＜0.5，0.5＜D＜1。因此，Boost模式時波形如圖2、3所示。

圖2 Boost模式下0＜D＜0.5時工作波形

圖3 Boost模式下0.5＜D＜1時工作波形

由圖1可知，當變換器工作在Buck模式時，其能量從右側V2流向左側V1，此時S2、S4參與工作，S1、S3停止工作，與S1、S3并聯的二極管D1、D3

充當續流二極管，導通電路的作用，具體見表2。

表2 Buck模式下能量流通情況

在實際工程中，對于開關管S2、S4的導通時間占空比D，分2種情況出現，即0＜D＜0.5，0.5＜D＜1。因此，Buck模式時波形如圖4、5所示。

圖4 Buck模式下0＜D＜0.5時工作波形

圖5 Buck模式下0.5＜D＜1時工作波形

3 參數設計

3.1 儲能電感L1、L2設計

根據電感紋波大小來確定變換器中電感的取值，紋波ΔiL為值20%。具體分析Boost和Buck模式下的電感最小值，計算公式如下［4］：

電感L和占空比D之間的關系如下：

式（2）中，D′=1-D。

3.2 輸入輸出濾波電容設計

電容電壓的紋波一般為輸入輸出電壓值的5%，電容能夠完全吸收電感電流產生的紋波。對于Boost電路，右側C2，濾波電容的計算公式為：

對于Boost電路，左側C1，濾波電容的計算公式為：

式（3）中，R為Boost模式下變換器的等效電容。

4 仿真結構與結論

根據以上分析，利用MATLAB對電路進行仿真建模，如圖6所示。仿真數據，V1=12V，V2=60V，L1=L2=1mH，C1= C2=10μF，fs=10kHz，等效電阻R=0.05Ω。由于空間有限以及Buck模型的仿真結果與Boost模型仿真結果相似，僅給出Boost模型仿真結果（見圖7、8），可以看出在Boost模型時具有很好的輸出效果，響應快，電壓紋波小。

圖6 電路仿真建模結果

圖7 Boost模式下二電感的電流輸出波形

圖8 Boost模型下輸出側電壓波形

［1］武林，張燕枝，李子欣，等.一種隔離式雙向全橋DC/DC變換器的控制策略［J］.電機與控制學報，2012（12）：21-27.

［2］杜少武，方如舉.一種新型雙向DC/DC變換器的仿真研究［J］.電力電子技術，2006（6）：45-47.

［3］姚道如.電動汽車用雙向DC/DC變換器研究［J］.德州學院學報，2010（2）：86-88.

［4］黃家善.電力電子技術［M］.北京：機械工業出版社，2010.

Research on Two Phase Staggered Parallel Bi-directional DC/DC Converter

Tang GangLiu Jun

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

The general bidirectional DC/DC converter are approved by the DC/AC/DC conversion,it does not have soft switch technology.In order to solve this problem,a kind of two phase staggered bi-directional DC/DC converter was designed,and combined with PWM control,to achieve zero voltage conduction and zero current turn off.Through the MATLAB/SIMULINK simulation to verify its bidirectional output stability,it has the characteristics of quick re?sponse.

staggered parallel；bidirectional；converter

TN624

A

1003-5168（2017）02-0131-03

2017-01-09

唐剛（1996-），男，碩士，研究方向：電力電子與電力傳動；劉軍（1965-），男，博士，教授，研究方向：電機智能控制，微機控制技術、故障診斷等。