深圳會(huì)議papers中國電源學(xué)會(huì)第二十一

1、電源學(xué)會(huì)第二十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)集一種用于儲(chǔ)能的新型軟開關(guān)雙向 DC/DC 變換器，遠(yuǎn)（西安理工大學(xué)電氣系，陜西省 西安市 710048）A Novel Soft-switching Bidirectional DC/DC Converter for Energy Storage ApplicationsZHANG QI, HE YUAN,ZHANG PENG,AN SHAOLIANG,SUN XIANGDONG,LI MINYUAN(Electrical Engineering, Xian University of Technology, Xian 710048, Shaanxi Provinc

2、e,)雙向 DC/DC 變換器廣泛應(yīng)用儲(chǔ)能系統(tǒng)中，例如新能源發(fā)電系統(tǒng)1，電動(dòng)車系統(tǒng)2，不間斷電源ABSTRACT: A soft-switching solution implemented to the traditional bidirectional DC/DC converter is developed. Three auxiliary switches, one resonant capacitor and one resonant conductor composed of soft-switching cell which is equipped in the traditio

3、nal bidirectional DC/DC converter to realize its ZCT or ZVT operations, and the two drive methods are presented for the converter operation in buck mode under the different storage applications systems. The first method with less conduction losses suffers from a hard turning off process in one of th

4、e auxiliary switches, while the others experience the soft operation. As for the other method, the zero voltage or zero current transmissions in all switches are realized, and the relative higher but fixed conduction losses is introduced by the resonant circle. And the proposed topology performs ide

5、al soft switching at boost operations. The characteristics of the proposed topology are verifiedwith simulation and experimental results.，航天電源系統(tǒng)3，等等。為了提系統(tǒng)，電高能量傳輸效率，系統(tǒng)的可靠性與性以及功率等級(jí)5，熱點(diǎn)仍然集中與拓?fù)涓倪M(jìn)2-5，以及略改進(jìn)1-3。對(duì)于上述問題的主要解決方案之一是軟開關(guān)技術(shù)，功率開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)了零電壓轉(zhuǎn)換（ZVT）或零電流轉(zhuǎn)換（ZCT），它將有效解決開關(guān)損耗和電磁干擾問題。文獻(xiàn)4研究了一種雙向 ZCT 變換器，所有的主功率

6、開關(guān)器件受益于一個(gè)輔助軟開關(guān)管，策其缺點(diǎn)是諧振電流始終文獻(xiàn)1 研究了由輔助開關(guān)會(huì)引入一定損耗。成的兩個(gè)單向ZVZCT DC/DC 變換拓?fù)?，并且?shí)現(xiàn)了 ZVZCT 功率雙向，但其只能工作于連續(xù)導(dǎo)通模式。文獻(xiàn)6研究了一種 ZVT 升壓變換器，其被廣泛用于商業(yè)應(yīng)用與一些衍生的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究7,8。本文研究了一種帶有三個(gè)輔助開關(guān)管的軟開關(guān)雙向 DC/DC 變換器，在 Buck 模式下分析了兩種，在 Boost 模式下應(yīng)用了一種傳統(tǒng)的KEY WORDS: DC/DC converter; Soft-switching; Zerovoltage transition (ZVT); Zero current

7、 transition (ZCT)摘要：軟開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)雙向 DC/DC 變換器的發(fā)展。為了有效解決開關(guān)損耗和電磁干擾等問題，本文在傳統(tǒng)雙向DC/DC 變換器中加入軟開關(guān)以實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換或零電流轉(zhuǎn)換，其中軟開關(guān)單元包含三個(gè)輔助開關(guān)，一個(gè)諧振電容和一個(gè)諧振電感。變換器在 Buck 模式下的兩種驅(qū)動(dòng)方式能夠應(yīng)ZVT-BOOST 驅(qū)動(dòng)。在數(shù)學(xué)分析的基礎(chǔ)上本文分析了拓?fù)涞墓ぷ髂B(tài)并在實(shí)驗(yàn)中加以驗(yàn)證。用于不同的儲(chǔ)能系統(tǒng)中。第法通過一個(gè)輔助開關(guān)管的2 變換器工作基理分析2.1 變換器結(jié)構(gòu)雙向軟開關(guān) DC/DC 變換器拓?fù)淙鐖D 1 所示， 它是在傳統(tǒng)的雙向變換器基礎(chǔ)上加入一個(gè)諧振電 感 Lr，一個(gè)諧振電

8、容 Cr 和三個(gè)輔助開關(guān)管 Sa1，Sa2， Sa3。圖 1 中紫色部分為軟開關(guān)單元。S1，S2 分別為Boost 模式與Buck 模式下的主開關(guān)管，L 為濾波電感。為了進(jìn)一步傳輸能量，變換器的高壓端通常用硬關(guān)斷和其他的開關(guān)管軟開關(guān)減少了系統(tǒng)導(dǎo)通損耗。另一種實(shí)現(xiàn)了所有開關(guān)管的零電壓開通或零電流關(guān)斷，并且諧振環(huán)中相對(duì)較高且固定的導(dǎo)通損耗。本文還提出了一種理想的軟開關(guān) Boost 拓?fù)鋱D。的特征。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了拓?fù)鋱D：DC/DC 變換器；軟開關(guān)；零電壓轉(zhuǎn)換；零電流轉(zhuǎn)換1引言自然科學(xué)基金(51477139) ，陜西省教育廳基金基金項(xiàng)目：（2013JK0999）。于直流母線電壓，其簡化為電壓源 vh

9、。低壓端Foundation Project Supported by National Natural Science Foundation(51477139), and Specialized Fund of Shaan xi Education簡化為電壓源 vl，通常為儲(chǔ)能例如蓄電池或超ofDepartment （2013JK0999）.61電源學(xué)會(huì)第二十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)集級(jí)電容器。vl 到 vh 為升壓模式，vh 到 vl 為降壓模式。（3）描述了在理想狀態(tài)下忽略導(dǎo)線與開關(guān)的阻抗iLr 持續(xù)增加直到 iCr 達(dá)到最大值 iCrmax。隨著 Cr 的放電 vS2 降為 0V，模式 2 結(jié)束。

10、公式（4）為模態(tài) 2的時(shí)間，Tr 為 Lr 與 Cr 的諧振時(shí)間。iLr = iL + ir（2）i= Cr × vr maxhL（3）rt = t - t = Tr = 1 × 2p L C23 2r r44（4）圖 1 雙向軟開關(guān) DC/DC 變換器拓?fù)淠B(tài) 3（t3,t4） 模態(tài) 4（t4,t5）：t3 時(shí)刻，Cr完成放電，并且 S2 的體二極管 D2 導(dǎo)通。流過 D2， Sa2，Sa3，Lr 的諧振電流 ir 保持最大值 irmax。由于 D2 的非線性導(dǎo)通，ir 并不向 Cr 充電，主開關(guān)管 S2 兩端電壓為零，滿足零電壓導(dǎo)通的條件。 t3=(t4-t3)是在 t

11、4 時(shí)刻零電壓條件下導(dǎo)通 S2 所用的時(shí)間裕量。在 t4 時(shí)刻模態(tài) 4 開始，它與模態(tài) 3 的狀態(tài)相同。在這兩種模式中，iL 不但流經(jīng) Sa2，Sa3，Lr 而且還為負(fù)載提供能量。在這期間，公式（5）2.2 變換器在降壓模式下的模態(tài)分析變換器工作在 Buck 模式時(shí)，通常向儲(chǔ)能裝置充電，S1 與 Sa1 處于關(guān)斷狀態(tài)。拓?fù)浼尤胼o助開關(guān)管 Sa2 與 Sa3，能夠?qū)崿F(xiàn) S2 零電壓轉(zhuǎn)換（ZVT)或零電流轉(zhuǎn)換（ZCT)。Buck 模式下變量的參考方向與其等效電路圖如圖 2 所示。一直有效，Lr高飽和風(fēng)險(xiǎn)和的軟開關(guān)導(dǎo)通損耗。因此能量傳遞路徑在下個(gè)模式改變。isa3 = isa2 = iLr = iL

12、 + ir max;iS = -ir max;vS = 022（5）模態(tài) 5（t5,t6）模態(tài) 6（t6,t7）：在 t5 時(shí)刻圖 2 變換器Buck 模式下的等效電路拓?fù)渫瑫r(shí)關(guān)斷 Sa2，Sa3。iLr 通過 Da1 續(xù)流，Lr 向電源和負(fù)為滿足不同的額定功率要求，圖 3了兩種載能量并且逐漸衰減。公式（6）描述了模態(tài) 5方式。為提高蓄電池的充電效率，充電電流通常不超過額定放電電流的百分之二十。圖 3（a）研所用的時(shí)間。iLr 逐漸衰減至 0，iS2 與 iL 的值相等并且 S2 導(dǎo)通，模態(tài) 6 結(jié)束。公式（7）描述了模態(tài) 6所用的時(shí)間。在模態(tài) 5 中，Sa3 產(chǎn)生硬關(guān)斷。究了一種適用于小額定

13、電流的驅(qū)動(dòng)，將其定義為 B 型（蓄電池）。在模態(tài) 5 中 Sa3 雖然處于硬關(guān)斷， 但其他的開關(guān)管在導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)為 ZVT 或 ZCT。B型工作原理分析如下所示。t = t - t = (L + L ) × iv（6）565rLr maxht = t - t = (L + L ) × i v（7）676rLh模態(tài) 0（t , t ）：S 處于開通狀態(tài)，S ，S處10 0a22a3于關(guān)斷狀態(tài)。Cr 被反向充電，vcr=-vh,模態(tài) 9 描述了Cr 的預(yù)充電時(shí)間和它的數(shù)學(xué)方程。等效電路工作流狀態(tài)，當(dāng) DCM 時(shí)電流逐漸衰減至 0。模態(tài) 7（t7, t8） 模態(tài) 8（t8, t9

14、）：由于軟開關(guān)單元中無任何電流通過，電路進(jìn)入傳統(tǒng)的 Buck 模式導(dǎo)通狀態(tài)。為確保 ZVT,在關(guān)斷 S2 關(guān)斷之前開通 Sa2，此時(shí)電路狀態(tài)并沒有改變。模態(tài) 9（t9, t10）：t9 時(shí)刻關(guān)斷 S2，模態(tài) 9 開始。電源開始向 Cr 充電，電容很快被充滿，電容的充電模態(tài) 1（t1, t2）：當(dāng)開通 Sa3 模態(tài) 1 開始。iSa2和iSa3線性上升，公式（1）描述了電流上升時(shí)間 t1 。Sa2Sa3和零電流開通，S2 上的電壓為 vh。當(dāng) iSa2=iSa3=iLr，模態(tài) 1 結(jié)束。t1 = t2 - t1 = Lr × iL vh時(shí)間可由公式（8）描述，vs2逐漸增加至vh，t1

15、0（1）時(shí)刻 vcr=-vh，此時(shí)一個(gè)開關(guān)周期結(jié)束。模態(tài) 2（t2, t3）：t2 時(shí)刻 Lr 與 Cr 開始諧振，模態(tài) 2 開始。iCr 流過 Lr,iLr 可用公式（2）表示。公式t = t - t = C × vi（8）9109rh L62電源學(xué)會(huì)第二十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)集圖 3（a）Buck 模式下主要波形（B 型）圖 3（b）研究了一種適用于相對(duì)較大的額定電流的驅(qū)動(dòng)，將其定義為 C 型（超級(jí)電容器）。至 iL，反饋電流截至。模態(tài) 7 中，Sa3 上既沒有電流也沒有電壓，此時(shí) Sa3 的關(guān)斷同時(shí)滿足 ZVT，ZCT。公式（10）描述了模態(tài) 7 的工作時(shí)間。這兩種詳細(xì)的工作模態(tài)如下所

16、示。在這兩種方法中，MODE0MODE4 為五個(gè)完全相同的工作模t = t - t = L × i v（10）787r Lh態(tài)。圖 3 為這兩種在 Buck 模式時(shí)一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的各模態(tài)等效電路圖及其主要波形圖。波形圖描述了理想狀態(tài)下每個(gè)開關(guān)管的工作特性，為了便于說明，三個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)有所偏移。雖然圖 3（b）中模態(tài) 8（t8, t9）：由于諧振 t8 時(shí)刻 Cr 的能量開始向 Lr 傳遞。Cr 放電并且 vcr 衰減至 0V。t8 (t9- t8)為 Cr 的放電時(shí)間，與方程 4 中t2 相同。C 型工作模式出現(xiàn)了模態(tài) 9（t9, t10）模態(tài) 10（t10, t11）：t9 時(shí)的導(dǎo)通

17、損耗，但所有的開刻 Cr 完全放電。由于電感電流不能突變，電感上的關(guān)管兩個(gè)輔助開關(guān)管均實(shí)現(xiàn)了軟開通或軟關(guān)斷。隨著電流的增大，導(dǎo)通損耗所占功率的百分比將會(huì)減小，這一特性能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)超級(jí)電容器充電。C 型工作原理分析如下所示。電流將流過 S2，Da2，Da3，Cr被反向充電。在理想狀態(tài)下，iLr 保持不變，iS2=iLr+iL，將會(huì)產(chǎn)生更多的導(dǎo)通損耗。在 Sa3 關(guān)斷之后，t10 時(shí)刻開通 Sa2， Sa2 實(shí)現(xiàn)了 ZVT 與 ZCT。在一個(gè)開關(guān)周期中，主要是在這兩個(gè)模式內(nèi)向負(fù)載提供能量。模態(tài) 11 （t11, t12） 模態(tài) 12 （t12, t13）：t11時(shí)刻，S2 零電壓關(guān)斷。iL 與 iL

18、r 開始為 Cr 反向充電， 充電時(shí)間與公式（9）中的t5 相同。當(dāng)電容被充滿模態(tài) 5（t5, t6）：與 B 型的不同，在 t5 時(shí)刻關(guān)斷 Sa2，Sa3 在 Sa2 關(guān)斷之后才關(guān)斷。由于電感電流連續(xù)性，Cr 與 Lr 之間產(chǎn)生諧振 Cr 充電，經(jīng)過t5(t6t5) 時(shí)刻 vcr=vh，Sa2 零電壓關(guān)斷。公式（9）中Cr 的充電時(shí)間遠(yuǎn)小于 Tr /4。-t5 = t6 - t5 = Cr × vh (iL + ir )電，模態(tài) 12 開始，Lr 上剩余的能量反饋給電源，（9）模態(tài) 6（t6, t7）模態(tài) 7（t7, t8）：t6 時(shí)刻電容充滿電，iLr 通過 Dsa1 續(xù)流。iL

19、r 仍大于 iL，iLr 通過同時(shí) iL 通過 D1 續(xù)流。模態(tài) 12 結(jié)束之后開始下一個(gè)工作周期。S2 的反并聯(lián)二極管反饋至 vh。t7 時(shí)刻，iLr 線性衰減63電源學(xué)會(huì)第二十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)集圖 3（b）Buck 模式下的主要波形（C 型）2.3 變換器在升壓模式下的模態(tài)分析Boost 模式下變量的參考方向與其等效電路圖如圖 4 所示。當(dāng)變換器工作在 Boost 模式時(shí)，S2， Sa1，Sa2 處于關(guān)斷狀態(tài)，它們相當(dāng)于三個(gè)二極管。此時(shí)變換器與傳統(tǒng)的 ZVT-BOOST 電路的工作原理相同，S1，Sa1 實(shí)現(xiàn)了 ZVT 或 ZCT。驅(qū)動(dòng)方式與工模態(tài) 1（t1, t2）：t1 時(shí)刻，輔助開關(guān) S

20、a1 受控開通，流過二極管上 D2 的電流 iD2 開始向 Sa1、Lr 換流。模態(tài) 2（t2,t3） 模態(tài) 3（t3,t4）：Lr 上的電流線性上升直至 iLr=iL 時(shí)，iD2=0，D2 過零關(guān)斷。模態(tài) 4（t4, t5）：t4 時(shí)刻，關(guān)斷 Sa1，Lr 與 Cr開始諧振，電感上的能量通過 Da3 傳輸至 Cr 中，此時(shí)電容反向充電。D1 導(dǎo)通，S1 兩端的電壓鉗位在-0.7V，即 vs1=0V，主管 ZVT 開通。模態(tài) 5（t5, t6）：此階段為傳統(tǒng)的 Boost 導(dǎo)通電路，S1 開通，vl 給電感充電。模態(tài) 6（t6, t7） 模態(tài) 0（t0, t1）：主管 S1關(guān)斷，Da2 導(dǎo)通，

21、直至電容電壓為 0V。D2 導(dǎo)通， 進(jìn)入到模態(tài) 0 階段，此時(shí)電路為傳統(tǒng)的 Boost 電路，通過 D2 向負(fù)載傳遞能量。模態(tài) 0 結(jié)束后，進(jìn)入下一個(gè)工作周期。作模態(tài)如圖 5 所示。其良商業(yè)應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。工作特性已在廣泛的圖 4 變換器 Boost 模式下的等效電路拓?fù)銪oost 模式下變換器的模態(tài)分析如下：64電源學(xué)會(huì)第二十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)集圖 5 Boost 模式下的主要波形3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析為了驗(yàn)證變換器在 Buck 模式下的正確性與有效 性 ， 搭 建 了 試 驗(yàn) 平 臺(tái) 。 實(shí) 驗(yàn) 時(shí)Vh=20v,Vl=12v,Lm=1.25mH, Lr=16uH,Cr=22nF。分別測量了C 型三個(gè)開

22、關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形，如圖 6 所示。圖 6（b）中通道 1 為輔助開關(guān)管 Sa2 的電壓波形，通道 4 為 Sa2 的電流波形，通道 2 為 Sa2 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。能夠驗(yàn)證 Sa2 零電壓開通，降低了開關(guān)管的功率損耗。（c）圖6 Buck 模式下開關(guān)管的實(shí)驗(yàn)波形（C 型）（a）圖 6（a）中通道 1 為主開關(guān)管 S2 的電壓波形，通道 4 為主開關(guān)管 S2 的電流波形，通道 3 為主開關(guān)管 S2 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。能夠驗(yàn)證 S2 零電壓開通， 降低了開關(guān)管的功率損耗。圖 6（c）中通道 1 為輔助開關(guān)管 Sa3 的電壓波形，通道 4 為 Sa3 的電流波形，通道 3 為 Sa3 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。能夠驗(yàn)證 Sa

23、3 零電流關(guān)斷，降低了開關(guān)損耗， 提高了系統(tǒng)效率。本文在低壓下驗(yàn)證了變換器在 Buck 工作模式時(shí)主開關(guān)管 S2 零電壓開通與 Sa2 零電壓開通 Sa3 零電流關(guān)斷。變換器在 Boost 模式下的工作原理與傳統(tǒng)的 ZVT-BOOST 電路工作原理相同，已在商業(yè)中得到了良應(yīng)用。因此本文實(shí)驗(yàn)不驗(yàn)證 Boost 模式。4結(jié)論雖然變換器加入了三個(gè)輔助開關(guān)管，在一些情（b）65電源學(xué)會(huì)第二十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)集增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和功率損耗，但所有的開關(guān)管器件在開通和關(guān)斷時(shí)均實(shí)現(xiàn)了 ZVS 或 ZCS，有效的減少了電磁干擾。此外，驅(qū)動(dòng)信號(hào)可由簡單的邏輯電路產(chǎn)生，降低了變換器 的難易程度。本文將含有兩種工作方式的

24、 Buck 變換器與傳統(tǒng)的ZVT-BOOST 變換器相結(jié)合研究了一種新型軟開關(guān)雙向 DC/DC 變換器。有望在今后的儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用中得到廣泛而深刻的討論。參考文獻(xiàn)1Guoyi Xu, Lie Xu, D. John Morrow, and Dong Chen, “Coordinated DC Voltage Control of Wind Turbine With Embedded Energy Storage System,” IEEE Trans. Energy Conversion. , vol. 27, no. 4, Dec. 2012, pp. 1036-1045.Jung-Hyo L

25、ee, Dong-Ho Yu, Jun-Gu Kim, Young-Ho Kim, Soo-Cheol Shin, Doo-Yong Jung, Yong-Chae Jung, and Chung-Yuen Won , “Auxiliary Switch Control of a Bidirectional Soft-Switching DC/DC Converter,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 28, no. 12, pp. 5465, Dec. 2013.R. T. Naayagi, Andrew J. Forsyth, and R. Shuttleworth, “High-Power Bidirectional DCDC Converter for Aerospace Applications,” IEEE Trans. Power Electron. ,vol. 27, no. 11, Nov. 2012, pp. 4366-4379.234M. Ahmadi M.R.mmadi E. Adib H. Farzanehfard,“Family