纯电动汽车软开关双向直流变换器boost工作模式分析

纯电动汽车软开关双向直流变换器boost工作模式分析
邵珠雷
【摘要】针对电动汽车采用的双向直流变换器效率不高的问题,提出一种带有源缓冲电路的双向直流变换器.在工作过程中,双向直流变换器通过有源缓冲电路实现开关管的软开关,解决了开关管寄生二极管的反向恢复问题,使变换器在具有较高效率的同时又能够稳定的输出.由试制的一台200 W样机可知,变换器在boost工作模式下实现了开关管的零电压开关,有效减少了变换器的开关损耗.通过与传统双向直流变换器进行比较,双向直流变换器boost工作模式在较大负载范围内有最优效率曲线.
【期刊名称】《科技创新与生产力》
【年(卷),期】2016(000)005
【总页数】3页(P52-54)
【关键词】双向直流变换器;软开关;boost工作模式
【作者】邵珠雷
【作者单位】许昌学院电气工程学院, 河南许昌 461000
【正文语种】中文
【中图分类】TM46;U469.11
应用于纯电动汽车的传统双向直流变换器结构相对简单，变换效率较低。

在实现储能电池与电机能量交换的过程中，传统双向直流变换器存在较大的开关损耗。

为解决此类问题，有科研人员提出在双向直流变换器中运用软开关技术[1]。

软开关技
术大致分为两类，即零电压开关和零电流开关。

目前，在双向直流变换器中多采用引入辅助电路的方式实现软开关，该方式虽然可以实现双向直流变换器的零电压开关或零电流开关，但是辅助电路的存在会增加电路损耗，有时也会引起双向直流变换器输出的不稳定[2]。

为此笔者提出了一种靠有源缓冲电路实现软开关的双向直
流变换器，在该双向直流变换器中，有源缓冲电路只有在实现软开关的过程中处于工作状态，其上电开通的时间很短，从而有效减少了辅助电路带来的损耗，并且很好地解决开关管寄生二极管的反向恢复问题，使双向直流变换器在具有较高效率的同时又能稳定地输出。

下面将针对笔者提出的软开关双向直流变换器，从电路结构、工作原理以及实验结果等方面进行详细叙述。

双向直流变换器包括两个工作模式，即boost工作模式和buck工作模式。

当双
向直流变换器工作于boost工作模式时，电机正常驱动电动汽车，储能电池通过
变换器为电机供电。

当双向直流变换器工作于buck工作模式时，电机反向制动并通过变换器向储能电池充电。

电路结构见图1。

在图1中，Vlo为储能电池电压；Vhi为电机侧直流电压。

开关管S1与S2为软
开关双向直流变换器的工作开关管，其作用取决于变换器的工作模式。

当变换器工作于boost模式时，开关管S1为主开关管，开关管S2为同步开关管。

当变换器工作于buck模式时，开关管S2为主开关管，开关管S1为同步开关管。

电感L2，电容Ca，二极管D1与D2以及开关管S3与S4共同构成有源缓冲电路，为变换
器实现软开关创造条件。

二极管D3与D4为有源缓冲电路的电压钳位二极管。

二极管DS1，DS2，DS3，DS4分别为开关管S1，S2，S3，S4的寄生二极管。

CS1与CS2分别为开关管S1与S2的寄生电容。

双向直流变换器的boost工作模式在一个工作周期中可细分为8个阶段。

VGS1，VGS2，VGS3，VGS4分别为开关管S1，S2，S3，S4的栅源极电压。

VS1与
VS2分别为开关管S1与S2的漏源极电压。

iL1与iL2分别为电感L1与L2的电
感电流。

iS1与iS2分别为开关管S1与S2导通时流过开关管的电流。

在一个工作周期开始之前，即t＜t0时，开关管S2与S4处于导通状态，电感电
流iL1与iL2分别线性减小至各自的最小值Im2与-IS2，开关管电流iS2方向由负变为正。

工作阶段1（t0≤t＜t1）：当t=t0时，开关管S2关断。

开关管寄生电容CS1开
始放电，而CS2开始充电。

开关管电压VS1线性下降，开关管电压VS2线性上升。

工作阶段1的时间间隔Tt1的表达式为
其中：Vhi为电机侧直流电压；IS2为电感电流iL2的最小值的绝对值；Im2为电
感电流iL1的最小值。

工作阶段2（t1≤t＜t2）：当t=t1时，开关管电压VS2线性上升至电机侧直流电压Vhi，开关管电压VS1线性下降至零，开关管寄生二极管DS1导通。

由于开关管电压VS1在开关管S1导通前降为零，因此该工作阶段开关管S1实现了零电压开关。

电感电流iL1与iL2该工作阶段持续线性上升。

工作阶段3（t2≤t＜t3）：当t=t2时，电感电流iL2变为零，二极管D2关断。

辅助开关管S4随后在零电流条件下关断。

开关管电流iS2与电感电流iL1相等。

工作阶段4（t3≤t＜t4）：当t=t3时，辅助开关管S3导通。

电感电流iL2线性上升。

开关管电流iS1为电感电流iL1与iL2的总和。

当工作阶段4结束时，电感电流iL1与iL2分别达到各自的最大值Im1与IS1。

工作阶段5（t4≤t＜t5）：当t=t4时，开关管S1关断，寄生电容CS1开始充电，寄生电容CS2开始放电，VS1线性上升，VS2线性下降。

由于CS1与CS2的电
容值较小，该工作阶段的时间间隔Tt5很小，其表达式为
工作阶段6（t5≤t＜t6）：当t=t5时，开关管电压VS1升高至电机侧直流电压Vhi，开关管电压VS2降为零，寄生二极管DS2导通。

由于开关管电压VS2在开关管S2导通前降为零，因此开关管S2在工作阶段6实现了零电压开关。

电感电
流iL1与iL2在该工作阶段线性下降，其表达式为
工作阶段7（t6≤t＜t7）：当t=t6时，电感电流iL2下降为零，二极管D1关断。

随后，辅助开关管S3在零电流条件下关断。

开关管电流iS2与电感电流-iL1相等。

工作阶段8（t7≤t＜t8）：当t=t7时，辅助开关管S4导通。

电感电流iL2线性下降。

开关管电流iS2为电感电流-iL1与-iL2的总和。

在工作阶段8结束时，电感
电流iL1降至其最小值Im2，电感电流iL2降至其最小值-IS2。

根据本文提出的软开关双向直流变换器，试制了一台功率为200 W的样机。

其中，储能电池电压Vlo=48 V，电机侧直流电压Vhi=160 V，工作周期TS=20 μs，时间参数ΔTS=0.42 μs，电感L1=183 μH，电感L1=6.7 μH，电容Ca=2 μF。

开
关管S1及S2采用IRF640N，开关管S3与S4采用FDP150N，变换器控制电路芯片采用TMS320F28335。

实验所得波形见图2和第53页图3。

图2中，上方波形为电感电流iL1在boost工作模式下的波形，下方波形为电感
电流iL2在boost工作模式下的波形。

由图2可以看出，当变换器工作于boost
工作模式时，流过电感iL2的电流很小，且时间较短。

由此可知，变换器的有源缓冲电路仅在实现软开关时处于上电工作状态，其开通时间很短，导通损耗也很小，大大提高了变换器的效率。

图3中，上方波形为开关管S1在boost工作模式下的漏源极电压波形，下方波形为开关管S1在boost工作模式下的栅源极电压波形。

由图3可以看出，在开关管S1导通前，其两端电压已降为零，即开关管S1在boost工作模式下实现了零电
压开关。

同样可知，开关管S2在boost工作模式下实现了零电压开关。

由于开关管S1与S2在boost工作模式下均实现了零电压开关，变换器的开关导通损耗大大减少，有效提高了变换器boost工作模式下的效率。

为了进一步检验笔者提出的软开关双向直流变换器的效率性能，将其与传统双向直流变换器、传统软开关双向直流变换器进行比较[3]。

参与效率比较的变换器均工
作于boost工作模式。

当变换器处于轻载状态时，由于开关管的开关损耗较小，
没有辅助电路的传统双向直流变换器的效率较高。

随着变换器负载的不断增加，能够实现软开关的双向直流变换器表现出较高的效率性能，而变换器辅助电路的损耗则渐渐被忽略[4]。

由于笔者提出的变换器采用有源缓冲电路，而有源缓冲电路仅
在实现软开关时处于上电工作状态，开通时间很短，其导通损耗较传统软开关双向直流变换器更小，因此在重载情况下笔者提出的变换器效率最优。

通过与传统双向直流变换器及传统软开关双向直流变换器相比，笔者提出的软开关双向直流变换器boost工作模式在较大负载范围内具有最优效率曲线，表现出良
好的效率性能。

由于笔者提出的变换器的有源缓冲电路只有在实现开关管软开关时才处于上电工作状态，因此该电路的导通损耗很小，对变换器的效率影响不大，并且很好地解决了开关管寄生二极管的反向恢复问题，使变换器在具有较高效率的同时又能够稳定的输出。

【相关文献】
[1]Pan Xuewei，Rathore A K. Naturally clamped soft-switching current-fed three-phase bidirectional dc/dc converter[J]. IEEE Transaction on Industrial Electronics，2015，62（5）: 3316-3324.
[2]刘福鑫，潘子周，阮新波.一种Boost型双向桥式直流变换器的软开关分析[J].中国电机工程学报，2013，33（3）:44-51.
[3]Liu Fuxin，Pan Zizhou，Ruan Xinbo. Soft-switching analysis of a boost-integrated bidirectional active bridge dc/dc converter[J]. Proceedings of The CSEE，2013，33（3）: 44-51.
[4]黄珺，王跃，高远.应用于储能系统的隔离型双向全桥直流变换器的软开关特性研究[J].电气传动，2013（S1）:74-78.。