移相全橋ZVS控制的電動汽車DC/DC轉換器設計研究

王迎斌

摘 要：本文采用移相全橋控制策略，設計了一種應用于電動汽車的DC/DC變換器并能實現功率開關的零電壓導通。本文對其進行了簡要介紹移相全橋ZVS-DC變換器的拓撲結構。制造了一個原型進行了一系列的實驗。最終的實驗結果與仿真結果相一致，且滿足要求設計要求，證明設計方案的可行性。

關鍵詞：移相全橋 電動汽車 拓撲結構 ZVS控制

Design and Research of Electric Vehicle DC/DC Converter Based on Phase Shift Full Bridge ZVS Control

Wang Yingbin

Abstract：In this paper， a phase-shifted full-bridge control strategy is adopted to design a DC/DC converter applied to electric vehicles and realize the zero-voltage conduction of the power switch. This article briefly introduces the topology of the phase-shifted full-bridge ZVS-DC converter. A prototype was made and a series of experiments were carried out. The final experimental results are consistent with the simulation results， and meet the required design requirements， proving the feasibility of the design scheme.

Key words：phase-shifted full bridge， electric vehicle， topology， ZVS control

1 引言

伴隨著全球能源危機情況的日益嚴重，節能環保汽車需求不斷增加，大力發展電動汽車已成為國家重要戰略的目標之一，而作為電動汽車核心部件的DC/DC轉換器，對其進行更深入的研究和改進也變得愈發迫切。開關電源由于效率高、可靠性好等優點近年來逐漸受到設計人員的關注，其高頻狀態下的功率器件具有非線性特性，寄生電路參數在高頻工況下效應明顯，可以通過平穩的系統操作達到高效傳輸的目的。在此設計中，相移全橋ZVS DC/DC設計了電動汽車用變頻器。相移全橋ZVS DC/DC轉換器適用于中功率和大功率場合。它可以充分利用功率器件的寄生參數來實現零電壓開關并提高開關的開關頻率[1]。

2 移相全橋ZVS DC / DC轉換器的結構和特征

DC/DC轉換器可以將不可調節的直流電壓轉換成可調節的直流電壓。隨著電動汽車的發展，DC/DC轉換器越來越多地應用于電動汽車中廣泛。由于動力電池的高壓電源可以轉換為低壓電源通過DC/DC轉換器可以替代傳統車輛中的小型發電機車輛的布局和結構可以優化。

相移全橋ZVS DC/DC轉換器的拓撲如圖1所示。全橋逆變器電路用于變壓器的一次電路。Q1，Q2，Q3和Q4是功率器件，例如IGBT或MOSFET。D1，D2，D3和D4是Qi的寄生二極管分別。Ci是寄生電容。Lr是諧振電感，包括變壓器漏電感和外部電感。與其他隔離式轉換器相比，全橋逆變器電路的輸入電壓僅為直流母線電壓。開關的最大電壓與相同的半橋電路相同功率電平，即直流母線電壓的一半。通過開關的電流是一半的兩倍-橋接電路。并且與推挽電路相比，開關的最大電壓為一半，并且不需要中央抽頭變壓器，從而使電路更簡單，更緊湊。所以全橋式轉換器電路更適合大功率應用[2]。

可以充分利用電源開關器件或外部電容器的寄生電容通過相移全橋ZVS控制模式實現可靠的零電壓開關和電路結構簡單。

3 移相全橋DC / DC轉換器中的關鍵問題

3.1 占空比損失

由于全橋ZVS DC/DC轉換器中存在諧振電感器，因此功率逆變橋上的開關可以實現零電壓開關，從而降低了電流和電壓應力和電源開關的損耗。但是當引線的開關閉合時，電源首先為諧振電感器充電。此時，原邊電流不足以提供負載電流時，變壓器次級側的整流電路的二極管位于擊穿狀態，因此這些二極管將電源開關的電壓鉗位到零電壓，這導致占空比的損失[3]。

占空比損耗是ZVS相移全橋DC/DC轉換器的重要現象，這會降低轉換器的效率。每個周期的占空比為：

其中Lr是諧振電感器（包括變壓器泄漏），IP是原始側電流，uDC是直流輸入電壓，T是PWM控制信號的周期。

3.2 開關管ZVS的實現條件

為實現開關的零電壓開關，諧振能量應滿足：

其中Ci是電源開關管的寄生電容，C1=C2=C3=C4。CT是變壓器寄生電容。

引線開關的零電壓開關取決于引線的諧振過程。在這個過程中在引線共振中，變壓器正在傳遞能量，因此可以認為一次側諧振電感與二次側濾波電感串聯。這個諧振能量是諧振電感和濾波電感的總和[4]。

其中Lf是輸出濾波電感，ET是勵磁繞組的能量，即相對較小，可以忽略。

滯后引線開關的零電壓開關取決于滯后引線的諧振過程。在這個過程中在滯后引線共振中，變壓器被二次側的MOSFET短路。在這一點上，轉換器被分成兩部分，這意味著二次側和原邊變壓器的側邊沒有連接，所以諧振能量只與原邊：

綜上所述，實現移相全橋DC/DC變換器零電壓開關的關鍵是實現滯引線開關的零電壓開關。只要引線上的開關可以實現零電壓開關，那么在前引線上也可以實現零電壓開關。

4 多功能充電轉換器整體結構

圖2是多功能充電轉換器的整體結構框圖。系統的主電源部分主要由AC/DC變換和DC/DC變換組成。DC/DC變換部分分為高壓DC/DC變換和低壓DC/DC變換兩部分，兩部分共用DC變換拓撲，控制器和繼電器完成兩個DC/DC變換。多功能充電變換器采用兩級變換拓撲。前級采用Boost PFC電路實現AC/DC轉換，提高電路的PF值，抑制諧波干擾。轉換后的高壓直流電相對穩定，可用于后續的多功能直流電/部分采用直流變換器;后一級在全橋LLC諧振變換器上進行拓撲時分復用，作為多功能DC/DC轉換電路，可在不同時期產生高壓直流電和低壓直流電，分別對動力電池和輔助電池充電。此外，該系統還包括控制保護和輔助管理兩部分。控制保護部分主要完成輸入輸出過電壓、欠電壓檢測和輸入過電流檢測，檢測數據由前后控制器處理。進行保護動作;輔助管理部分包括輔助電源、CAN通信、上位機接口等。

5 結語

本文介紹了相移全橋DC/DC ZVS的特點和主要問題對轉換器進行了分析，并計算了主要部件的參數和模型。并在理論分析和建模仿真的基礎上，開發了原型并進行了實驗結果實現了。設計要求160V|～350V DC輸入，14V DC輸出，大功率轉換效率達到90%以上。但是在本文中，相移全橋控制器UCC28950不是可編程的，因此某些輔助功能受到限制，包括電壓檢測和保護、電流檢測和保護、溫度檢測和保護、能源流程和通訊功能等。使用可編程控制器使轉換器工作在穩定的條件下實現能量的雙向流動將是進一步研究的重點。

參考文獻：

[1]葉玉曜，張振國，李樹娟，等.模糊PID復合控制的移相全橋ZVS PWM變換器設計研究[J].軟件導刊，2018，017（001）：175-178.

[2]李宏超.淺析移相全橋ZVS DC/DC變換器待解決的關鍵問題[J].農家參謀，2019，606（01）：196-197.

[3]宋建國，謝敏波，張斌.基于大功率車載DC/DC移相全橋轉換器的研究[J].電力電子技術，2019（12）：23-27.

[4]姜婷婷，周松林.數字控制的移相全橋零電壓變換器設計[J].赤峰學院學報（自然科學版），2018（6）.