1、高效双向软开关 DC-DC 转换器摘要为了减少双向 DC-DC 转换器的大小，传统的扑结构采用高频硬开关的操作方法。随着开关频率越来越高，开关损耗明显增加。为了克服这一缺点，通常一个辅助电路使用软开关实现。辅助电路的开关使用硬开关操作。在此论文中推荐使用高效双向 DC-DC 变换器。建议辅助电路用一个谐振电感和两个电容器。减少自身从开关在零电压开关的开启和关闭状态下运行的损失。推荐的拓扑结构的特主要点不仅是软开关方法易操作，而且结构简单。推荐的双向软开关 DC-DC 转换器的效率在实验结果中得到验证。关键词双向转换器，软开关，电动汽车，分布式电源系统，非隔离转换器，零点压开关，高效，谐振网络。
2、.前言由于经济迅速增长和对能源的巨大需求，全球的能源危机已经加剧恶化。为了解决能源问题，像电动汽车和分布式电源系统1-3这些有利于环境的系统已经在研究。在这些应用中，就像一个电池系统的能量存储系统必须需要保存和使用能源。因此，一个双向 DC-DC 转换器（BDC）允许两个直流电源之间的电力传输成为电力电子技术的重要课题。BDC 分为隔离转换器4-6 和非隔离转换器7-8 。BDC 尺寸更小，重量更轻并且效率更高，等等。为了尽量减少 BDC 的大小，必须提高开关频率。然而，开关频率的增加导致更高的开关损耗。为了解决这个问题，很多软开关技术采用广泛用于在 DC-DC 变换器的谐振网络。本文提出了一
3、个高效率的双向软开关 DC-DC 变换器（BSDC） 。推荐的转换器是在双向半桥型降压-升压拓扑结构的基础上。与半桥拓扑结构相比，它增加了一个谐振电感、谐振电容和两个并联电容器。推荐的转换器没有额外的开关作为软开关式主开关。推荐的转换器使用谐振电路可以实现所有开关为零点压开关（ZVS） 。本文详细介绍 BDC 的工作原理和理论分析。一个 3kW 的样机已经实施，并得到了实验结果，以验证所提出的 BSDC。.常规转换器半桥类型的 BDC 如图 1 所示，是具有双向功率传输。多电平矩阵变换器不会同时运转。当多电平矩阵变换器要提高运行模式时开关 主要是开关功能,而1S当整流器工作在降压式变换电路中时
4、，主要的开关是 。2图 1 传统的半桥式类型的 BDC这种拓扑结构的缺点是电感电流有很多高峰波纹。缺点是拓扑使用硬开关使效率降低。解决问题的方法如下所示8。1) 降低损耗减少使用软开关的方法。2) 使用附加滤波器的输入和输出。3) 减少使用交替的纹波电流技术。4) 利用谐振技术。5) 使用辅助电路协助开关使用软开关操作作为 ZVT 转换器。但是这些技术很复杂、昂贵并且难以控制。.推荐的转换器的说明如图 2 所示，是本文推荐的 BSDC。与图 1 相比，辅助电路由一个谐振电感、两个谐振电容和两个平行电容器组成。通过使用这些组件，开关作为 ZVS打开或关闭没有开关损耗。图 2 推荐 BSDC 的电
5、路配置推荐的 BSDC 有两种操作模式。升压模式是 BSDC 从 到 传输，并LowVHigh且其他方式（升压模式）就是此 BSDC。在升压模式中，开关 作为主开关操2S作，开关 则是被作为一个辅助开关。另一方面，在降压模式下，开关 S1 则1S是作为主开关，而 S2 被作为一个辅助开关。当电流流入通过反并联二极管，两个开关都打开。另外，MOSFET 的传导损耗小，因为其 RDS（ON）低。储存能源的电池或超级电容器作为 源。电压源 连接到电力电子系统的 DCLowVHighV总线，就像电网连接变频器。A.升压操作模式图 3 理论值电压和电流的升压模式操作如图 3 所示，在升压模式中的一个开关
6、周期的推荐转换器的关键波形。一个开关周期分为 8 个阶段。观察电流 的波形，和图中的 相同。图 4 则是操2CoILrI作的阶段。图 4 在升压模式下变换器的等效电路的一个开关周期 模式 1（ ）10t当开关 的门极信号关闭，模式 1 被激活。当开关 关闭，流经开关的启2S 2S动电流通过 ，并且 在 ZVS 作为条件期间为关闭状态。由于电流流入通过rC2，电流使开关 打开，在模式 2 下的 ZVS 条件下。这种模式是第一谐振模1r1式，并提出下列公式。（1）tIZtVt rrrCoCr sincs1211 （2）rrrr2（3）tZtIti rrCorrLr sincs211 模式 2（ ）
7、21t当 电压等于 ，开始模式 2。电感电流 和谐振电感电流 流经反并rCHighVLiLri联二极管。当开关 S1 接收门信号，通过谐振电感电流下降，得到方程（4） 。电流的谐振修订者表示。当电流变为零，此模式完成。（4）21rOLrItVti 模式 3（ ）3t当由于通过主电感器的电流使谐振电感电流的方向改变时，使模式 3 启动。在模式 3 中，主电感电流逐渐下降，它可以表示为方程（5） 。另一方面，谐振电感电流的增加，相应的方程如方程（6） 。直到电流 和 量彼此相等，这种Lir模式才算完成。（5）2ItLVtiO（6）r1 模式 4（ ）43t当主电感电流 的总合等于谐振电感的电流 时
8、，模式 4 开始。此模式一Li LrI直保持，直到 的栅极信号被关闭。在这种模式下，当电流流过反并联二极管，1S开关 在 ZVS 状态下打开。输出电压的确定取决于门信号的条件。方程（7）1和方程（8）是和主电感电流和谐振电感电流分别对应的。（7）2ItLVtiO（8）r1 模式 5（ ）54tt模式 5 是第二个谐振模式，并且当开关 关闭关闭时，这种模式被激活。1S当 被关闭时，电流流经 并穿过 。因此，开关 在零电压条件下被关闭。1S1S1rC1模式 1 和模式 5 之间的区别是谐振回路是相反的方向。从方程（9）到方程（11）解释了每个谐振元件的电压和电流的时间变化的根据。（9）tIZtVt
9、 rrrOCr sincos411 （10）rrrr22（11）tZtIIti rrOrLr sincos144 模式 6（ ）65t当 的电压水平等于 时，此模式开始。由于谐振电感电流的连续性，1rCHighV电流流过反并联二极管。当打开门信号开关 ，开关在 ZVS 条件下打开。2S（12）5ItLVtirIN（13）52rrOrItti 模式 7（ ）76t当主电感器的电流水平等于谐振电感的电流水平时，模式 7 启动。自从开关 为通路状态，主电感电流将逐渐增加，给出相应的方程（14） 。从方程2S（15）看出，谐振电感电流骤降。此时此模式完成。（14）6ItLVtirIN（15）62rrO
10、rItti 模式 8（ ）87tt从模式 6 到模式 8，主电感电流骤升，相应的方程（16） 。与先前的模式相比，谐振电感电流增加的方向相反，相应的方程（17） 。当开关 S2 关闭，这种模式完成。（16）7ItLVtirIN（17）ttirOr2B.降压模式运行降压模式操作，也能够被分为 8 个阶段，比如升压模式操作。为了比较降压模式与升压模式，因为波形的精度分析，电压极性和电流方向是固定的。因此，主电感电流不断流入，甚至低于零。在零电流的基础水平上，伴随着升压模式电流向相反方向流入。特别的，当分析降压模式时，开关的作用发生了改变，但分析方法与升压模式类似。在降压模式下，开关 和 分别作为主
11、开关1S2和辅助开关操作。如图 5 所示，在降压模式中变换器在一个开关周期的关键波形。图 5 降压操作模式下的理论电压和电流从图 5 中可以看出， 的电流波形等同于 的电流波形。图 6 展示的是操2coi Lri作阶段。图 6 在降压模式中变换器在一个开关周期的等效电路.实验结果为了验证推荐的 BSDC 的性能。实验装置的安装如图 7 所示。图 7（a ）描绘的是独立 PVPCS 的硬件没有升压转换器。图 7（ b）则是双向拓扑结构。图 7 推荐 BSDC 的原型独立 PVPCS 需要一个双向功率转换系统和一个像电池和超级电容器的储能系统。能量转换系统的系统效率是能够通过使用推荐的拓扑提高。考
12、虑电池电压以及直流总线电压， 设为 200 伏，并且 设为 400 伏。主电感 L 的大LowVHighV小是 1 毫亨，使用铁氧体磁芯。谐振电感 是 PQ 核心，其容量是 60 微亨。ICEL 公司的 10 微法电容和 5rL微法电容作为谐振电容，分别作为 、 、 和 。电源开关1rC2r1o2CIFN70N60Q2 由 IXYS 公司生产。外围电路包括栅极驱动器和传感器电路。双向转换器的开关频率为 30 千赫。在升压模式试验的基础上，每种模式对固定的电压极性和电流方向进行了比较。图 8 显示了在升压模式下，双向转换器的波形。图 11 对应于降压模式下转换器的电压和电流的波型。的增加或减少同
13、样取决于开关，以及电流是否连续。电流波形如图Li8（a）所示。谐振电感电流 的波形在 0 安线上交替。主开关的电流和电压如Lri图 8（b）所示。在 ZVS 状态下关闭开关，波形可以放大显示。此外，当电流流过反并联二极管， 收到的门信号使 ZVS 打开。图 8（c）所示的是一个辅2S助开关的电压和电流波形。表 1 实验参数符号 意义 大小P 功率 3（ kW）L 主电感 1（mH）r谐振电感 60（H），1rC2r 谐振电容 10（ F）HighV高电压 400（V）Low低电压 200（V）sf转换频率 30（ kHz）图 8 升压操作模式图 9 降压操作模式在降压模式下，L 和 的电流波形
14、如图 9（a）所示。与升压模式相比，因rL为 L 和 电流的方向相反，这也就证明电流的极性发生改变。图 9 的（b）和r（c）分别显示了开关的电压和电流的波形。与升压模式类似，两个开关的打开和关闭是在 ZVS 条件下。虽然两个开关 和 所扮演的角色发生了改变，图1S29 的（b）和（c ）中的波形图相似。图 10 实验效率图传统的半桥型 BDC 和 BSDC 效率图如图 10 所示。WT-3000 测量效率。在与传统的转换器相同的条件下，为了测量推荐变换器的效率，推荐变换器的效率首先被测量。然后，对半桥型 BDC 的实用因素进行了测量。伴随着最低容量轻负载，最低效率为 88，负载能力越来越高，
15、实用的因素随之增加。与传统的转换器相比，图 10 显示了推荐 BSDC 的高效率。推荐的转换器比其他任何文中提到的转换器具有更高的效率。在升压模式中，效率最高达到 97.6，在降压模式中的效率达到 97.48。.结论本文提出了一个高效率的双向软开关 DC-DC 转换器。推荐的转换器基于双向半桥型降压-升压拓扑结构。与半桥拓扑相比，它有一个谐振电感、谐振电容和两个额外并联电容器。推荐的转换器对于主开关的软开关没有额外的开关。推荐的转换器使用谐振电路对于所有开关可以实现零电压开关。推荐的转换器比文中提到的其他转换可以实现更高的效率。在升压模式中，最高的效率可以达到 97.6，并可以在降压模式达到
16、97.48的效率。.致谢这项工作是知识经济部（MKE）由财政支持的学校的专业研究生培养项目的成果。参考文献 1 F. Z. Peng，H. Li, ，G.-J. Su，和 J. S. Lawler， “一种新的用于燃料电池和电池的应用的零电压开关双向 DC-DC 转换器” ，IEEE Trans. Power Electron.，第19 期，第一章，54-65 页，2004 年 1 月。 2 M. D. Jain 和 P. Jain， “双向 DC-DC 变换器拓扑结构的低功耗应用” ，IEEE Trans. Power Electron.，第 15 期，第四章，595-606 页，2000
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