一种新型的零电压开关双向DC-DC变换电源

引言

　　在许多场合下，需要有能将直流电源进行双向变换的装置，以燃料电池为能源的电动车驱动系统，就是一例。在该系统中，同时具有普通酸铅蓄电池和燃料电池，普通酸铅蓄电池作为车辆冷起动动力，提供12～24V的低电压电源。起动后，用燃料电池提供150～300V的车辆驱动电压。因此，在电动车起动时，要求能将普通蓄电池输出的12～24V直流电压提升到150～300V，以起动系统开始工作。当系统进入正常工作后，用燃料电池的电能，对酸铅蓄电池进行充电，以恢复电池的能量消耗。双向DC-DC电源也可用于供电系统的直流操作电源中，供电系统的直流操作电源，通常用蓄电池作为后备电源，当使用双向直流变换电源后，可有效地减少后备电池的数量。对双向直流电源通常要求其具有高效、隔离、低辐射等特点，同时也要求电路结构简单，易于控制。

　　系统的结构及工作原理

　　双向直流变换系统的结构如图1所示，高频变压器T两侧的电源电压不同，电源能量能进行双向传送。从电路结构看系统具有以下特点。

图1　DC-DC双向变换电路结构图 　　电路的特点 　　用变压器作为隔离高、低压侧分别有既可整流又可逆变的变流装置。用IGBT或MOSEFT管作为开关器件构成桥式或半桥式整流逆变电路。若在图1的整流逆变或逆变整流框中，用全桥电路代换之，则得到双向DC-DC变换器主电路，如图2所示。为充分发挥电路的功能，在高频变压器的右侧接入一个电感Lk，用作电压提升。考虑到在保持功率平衡的条件下，需低压侧提供较大的电流，低压侧的电压波动对高压侧电压的稳定影响较大，因此在高压侧接入储能电感，这样控制输出电压的效果更好。正常情况下的能量流向是，从高压侧向低压侧方向，低压侧的蓄电池处于充电状态，另外低压侧负载需要消耗一定的能量。当能量从低压侧向高压侧流动时，具有短时和大电流的特点，通常只在系统起动或故障状态下出现。 图2　DC-DC双向变换主电路原理图 　　电路的工作原理 　　由于在MOSEFT管的d,s端或IGBT管的c,e端反并联了二极管，因此2个桥式电路均具有整流功能，逆变时需要对MOSEFT或IGBT管加触发脉冲。 　　低压向高压传送能量的过程 　　当能量从低压向高压方向传送时，要求M1～M4处于逆变状态，S1～S4处于提升状态。设：gMi为开关器件Mi的门极控制电平。gSi为开关器件Si的门极控制电平，则 　　对gMi，gSi施加图3所示的控制脉冲，M1，M4导通构成变压器T左侧的正向电流；M2，M3导通构成变压器左侧的反向电流。为实现器件的零电压开关在M1，M4和M2，M3换流过程中加入死区。对S1，S2不加触发脉冲，对S3，S4加图3所示的触发脉冲起电压提升作用。 图3　能量从低压向高压流动时的门极控制脉冲 　　此阶段电流电压波形如图4所示。等效电路如图5所示。对电路的分析可按以下几个阶段进行，其中电流iLk的波形非常重要，它等于变压器右侧的电流iT2。 图4　能量从低压向高压流动时变压器右侧电压、电流波形 图5　能量从低压向高压传送过程中各阶段等效电路 　　阶段1：t1～t2。M1，M2，S3导通，由于S1内部二极管DS1和S3的导通，使变压器右侧c，d两点短路，变压器右侧和iLk相关的等效电路如图5a所示。电流iLk值如式(1)所示，电感Lk储能，储能时间可通过S3导通的时间进行控制。 　　式中：UT2为变压器右侧电压幅值。 　　阶段2：t2～t3。在t2时刻S3关断，经短暂的延时后，对S4加触发脉冲，但S4并不立即导通。此时电感电流iLk经S1，S4内部二极管对电容C2进行充电，电流表达式如式(2)所示，等效电路如图5b所示。 　　式中：U2为高压侧的直流输出电压值。 　　值得注意的是，阶段1和阶段2构成了一个电压提升工作方式，改变S3门极脉冲的占空比，可调节变压器右侧，即高压侧的输出电压，根据电压提升电路的特性UT2和U2之间有式(3)所示的关系。 　　式中：D为占空比，即S3在M1，M4导通阶段所占的比例；ton=t2-t1；T为iLk的半周期。 　　阶段3：t3～t4。在t3点M1，M4关断，此时iLk迅速回落，iLk的变化如式(4)所示，式(4)中Td为死区时间，等效电路如图5c所示。 　　阶段4：t4～t5。在t5点M2，M3，S4导通，此时反向重复阶段1的过程。 　　高压向低压侧传送能量的过程当能量从高压向低压方向传送时，要求S1～S4处于逆变状态，M1～M4处于提升状态，对开关器件的门控信号作和上述相同的设定，要求对开关器件的门极加如图6所示的控制信号。流过变压器的电流波形和变压器两端的电压波形和图4波形的形状基本相同。