电动汽车在运行过程中,频繁地加速减速、起动制动,需要利用双向DC/DC变换器将电池的电压升高以获得稳定的直流母线电压。另外,在电动汽车制动时,需要通过双向DC/DC变换器将能量回馈到电池,使其效率提高。
参考文献[1]通过对比几种典型双向DC/DC变换器发现,在相同条件下半桥型双向DC/DC变换器电路元件所承受的电压电流应力较小。基本半桥型拓扑结构运用在大功率负载时,所需开关器件等级仍然较高、电感较大、体积庞大、能量密度较低。为了减小变换器体积,增大功率等级,参考文献[2-3]采用多重化半桥拓扑结构,降低了开关管功率等级,减小所用电感和电压电流纹波,但开关损耗问题仍有待解决。参考文献[4]采用一个震荡电感加二重双向DC/DC拓扑结构,运用软开关技术提高效率,但增加了一个电感元件和两个开关,导致成本增加。
为获得较高的功率密度,可将变换器设计在非连续导通模式(DCM),但其纹波较大,故采用多重化拓扑结构以弥补其缺陷,由此所需电感进一步减小[3]。另外,在DCM模式下,主开关关断的频率是其负载电流频率的两倍,开关的关断损耗增大,DCM模式使得变换器效率降低[5]。本文采用一种控制型软开关技术[6],不需要额外增加半导体器件,通过合理控制实现软开关,从而减小了开关损耗,提高了变换器效率。
1 变换器拓扑结构及控制策略
1.1 变换器的拓扑结构及工作原理
本文采用的三重交错式双向DC/DC变换器由三个典型半桥式双向DC/DC拓扑结构交错并联而成,其拓扑结构如图1所示。
三个基本半桥的导通时间依次互错1/3周期,且在每个周期导通时间相同,因此电感电流也依次互错1/3周期,从而减小总电流的纹波。
当正向运行,即升压运行时,下部开关Sd1、Sd2、Sd3处于斩波状态,为主开关,上部开关Su1、Su2、Su3与同臂下部开关互补,为辅助开关。当反向运行,即降压运行时,上部开关与下部开关主辅职能调换。
为了达到软开关目的,在实际运行中上下开关驱动信号加入的死区时间,利用电感电流恒流源作用,使上下开关各自并联的小电容能量在死区时间内得以交换,从而达到ZCS和ZVS。下面仅以单重半桥型双向DC/DC变换器拓扑加以说明。
图1中,iL1为电感L1的电流,规定如图1中方向为正方向;Co为滤波电容;FWDu1及FWDd1分别为开关Su1和Sd1反向并联的二极管;Cu1、Cd1为两开关并联的小电容。低压侧Vin由蓄电池或超级电容供电,高压侧Vo接电机等负载。当电机正向运行时,Sd1为斩波开关,Su1为辅助开关,能量由低压侧Vin流向高压侧Vo;当电机发生制动时,能量反向流动,上、下开关职能调换。现仅以boost工作模式加以说明。图2所示为升压模式下6个工作模态的关键波形。
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