一族非隔离双向直流变换器

第32卷第9期中国电机工程学报V ol.32 No.9 Mar.25, 2012

2012年3月25日Proceedings of the CSEE ©2012 Chin.Soc.for Elec.Eng. 65 文章编号：0258-8013 (2012) 09-0065-07 中图分类号：TM 85 文献标志码：A 学科分类号：470⋅40

一族非隔离双向直流变换器

吴红飞，陆珏晶，石巍，张君君，邢岩

(江苏省新能源发电与电能变换重点实验室(南京航空航天大学)，江苏省南京市 210016)

A Family of Non-isolated Bi-directional DC-DC Converters

WU Hongfei, LU Juejing, SHI Wei, ZHANG Junjun, XING Yan

(Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics),

Nanjing 210016, Jiangsu Province, China)

ABSTRACT: A family of non-isolated bi-directional DC converter (BDC) based on negative-coupled-inductor (NCI) was proposed. By utilizing the induced potential of the introduced NCI to block the body diode of MOSFET, the reverse-recovery problem associated with the body diode is eliminated. Furthermore, according to the analysis of the equivalent circuit of NCI and filter inductor, by replacing the two inductors with a positive-coupled-inductor (PCI), a family of non-isolated BDC based on PCI was proposed. The control of the proposed BDCs is the same as conventional unidirectional DC converter and has no extra soft start circuit required for the BDCs. The proposed BDCs have advantages of high efficiency, simple control and high reliability. The topology derivation process was presented and the operation principles of the proposed BDCs were analyzed in detail with experimental results given to verify the proposed topologies.

KEY WORDS: bi-directional DC converter (BDC); coupling inductor; topology; body-diode reverse-recovery

摘要：提出一族基于反向耦合电感的非隔离双向直流变换器(bi-directional DC converter，BDC)，通过引入反向耦合电感，利用电感感应电势阻断不工作MOSFET的体二极管，消除了传统双向变换器中开关管寄生体二极管的反向恢复问题；通过反向耦合电感与滤波电感等效电路的分析，将反向耦合电感与滤波电感用一个同向耦合电感代替，提出一族基于PCI的非隔离双向直流变换器。所提出的变换器控制与传统单向变换器相同，不需要专门的软启动电路，兼顾了较高变换效率、控制简单和高可靠性。给出拓扑推演过程，详细分析拓扑工作原理，并通过实验验证理论分析的正确性。

基金项目：国家自然科学基金项目(51077071)；江苏省科技成果转化基金(BA2008001)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51077071); Grant from the Transformation of Scientific and Technological Achievements in Jiangsu Province(BA2008001). 关键词：双向直流变换器；耦合电感；拓扑；体二极管反向恢复

0 引言

双向直流变换器(bi-directional DC converter，BDC)在航空航天供电系统[1-2]、新能源发电系统[3-9]、电动汽车[10-12]等供电系统中获得了广泛应用，常用于不同直流母线之间的功率传输、蓄电池充放电管理等[1-20]。传统BDC是通过将单向直流变换器中的有源和无源开关管用电流双向开关管(如MOSFET)替代的方法构成[1-2]。然而，由于MOSFET 寄生体二极管的影响，传统BDC存在严重的体二极管反向恢复问题，体二极管的反向恢复会在开关管上引起严重的电压尖峰，导致开关管失效，降低变换器的可靠性，同时，还会降低变换器的效率。为避免寄生体二极管的反向恢复问题，常用的解决方案包括：1）额外采用肖特基或快恢复二极管与MOSFET并联；2）用二极管将MOSFET的体二极管阻断，再额外并联专门的二极管[1]；3）采用软开关技术[14-20]。然而：方案1）无法保证开关管关断后，寄生体二极管中的电流可靠换流到并联的二极管；方案2）虽然能完全避免寄生体二极管的导通，但串联二极管引入了额外的导通损耗，且增加的二极管数量较多；采用软开关技术来实现开关管的零电压开通，能够有效避免反向恢复问题，但电路和控制复杂，其中一种简单的实现方案是通过增大电感电流纹波，使每个开关周期内电感电流自然过零，利用电感能量实现开关管的软开关[1]，但导通损耗增加，在轻载时，环流引起的损耗很大，因此不适合于电流较大的应用场合。

此外，由于传统BDC采用开关管互补导通策略，在BDC两端都与“源”相连的情况下，需要

DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2012.09.011