多通道双向DC／DC变换器的研究

摘要：提出一种适合于混合动力系统的多通道双向DC／DC变换器，该变换器简化了包含多个储能器件的混合动力系统结构，在负载不工作时可利用太阳能为储能器件充电。运用同步整流技术，减小变换器工作过程中的通态损耗，确保变换器具有较高的工作效率。详细分析了该变换器在各个工作状态下能量转移的路径，并通过一台50 W样机验证了原理的正确性。

关键词：变换器；多通道；同步整流

1 引言

近年来，环境和能源问题成为世界各国关心的热点问题。随着环境污染和能源危机的加重，可大幅度降低油耗、减少污染的混合动力系统，已经成为新型动力汽车领域的重要研究方向。在混合动力系统中，双向DC／DC变换器是能量流动的重要环节。应用于该系统的传统双向DC／DC变换器是单通道的，往往需要多个双向DC／DC变换器才能实现蓄电池、超级电容器等多个储能器件与直流母线连接，这必然增加电感和开关管的数量。能量在多个储能器件和直流母线间传递时，需要各个双向DC／DC变换器按照一定逻辑顺序进行工作，这样就需要多路控制信号，所以这种系统的结构和控制方法非常复杂。

这里提出一种多通道双向DC／DC变换器，该变换器不仅简化了系统结构，还可利用太阳能在负载不工作时为系统中的储能器件充电。用功率MOSFET代替二极管，实现了能量仅需通过一个双向DC／DC变换器就可在多个储能器件与直流母线之间传递的功能。

2 拓扑结构与工作原理

图1示出多通道DC／DC变换器。其拓扑结构本质上是一个双向Buck-Boost电路。VQ1，VQ3和VQ5分别控制能量是否可以通过超级电容器(S-C)通道、DC Bus通道和蓄电池(VRLA)通道。VQ6，VQ7组成一个双向开关。其中仅有VQ2或VQ4工作于PWM模式，其他各开关管多工作于常开或常闭状态，相互配合来控制能量在各通道间的流动。

储能器件向直流母线端传递能量时，电路正向工作于Boost状态。VQ4为主开关，工作于PWM模式。分别给VQ1，VQ5施加开通信号，使VQ1，VQ5工作于反向导通状态，VQ2工作于同步整流状态，VQ3保持导通。此时，若VQ7导通，电流会流入PV通道，直流母线将不能获得最大功率，而且将损坏光伏电池；若VQ6导通，则会有电流从PV通道流出，干扰正常的功率传输，所以VQ6，VQ7组成的双向开关要处于关断状态，以避免上述这两种不允许状态的出现。此时等效电路如图2所示。

电路反向工作于Buck状态时，即储能器件处于充电状态。此时VQ2为主开关，工作于PWM模式。若负载处于工作状态，则能量从直流母线端回馈，给VQ3施加占空比为1的触发信号，使其工作于反向导通状态。VQ4工作于同步整流状态。

通过判断S-C通道是否充满，来决定对VQ1的控制。若未充满，则使VQ1导通，VQ5关断，能量可从直流母线方向回馈到S-C通道；若已经充满，则关断VQ1，打开VQ5，能量从直流母线方向回馈到VRLA通道中。若储能器件都已充满，则继续维持VQ1关断，VQ5导通，使VRLA处于浮充状态。VQ6，VQ7仍然保持关断，以避免出现之前提到的不允许状态。此时等效电路如图3所示。

若负载未处于工作状态，直流母线侧已经停止向储能器件回馈能量，则VQ3关断，VQ6正向导通，VQ7反向导通，能量从PV通道流向储能器件。其他各个开关管工作情况与系统处于工作状态时相同。此时通过光伏电池给储能器件充电，利用清洁能源的同时，保证了储能器件不会断电。光照不足时，需负载继续工作为储能器件充电。此时等效电路如图4所示。

3 多通道双向DC／DC变换器调制策略

同步整流技术是一种减小DC／DC转换器导通损耗的新技术。它采用通态电阻极低的功率MOSFET取代整流二极管，在大电流情况下，可大幅度降低开关管损耗。功率管作为同步整流管时，与作为开关管使用时完全不同，同步整流管是将功率管漏极和源极反接，因其反向导通阻抗低，在导通时，相当于将其体二极管短路，所以减小了变换器的导通损耗。通常功率MOSFET被当作开关使用，所以反向导通的特性很少被利用。

变换器中每个通道的入口都有一个开关管用于控制能量是否可以通过此通道。若需能量流入该通道，则使开关管处于正向导通状态；若需能量流出，则使开关管处于反向导通状态。此时工作原理与同步整流类似，是利用同步整流管导通阻抗低的特性来取代P-N结上的压降，使部分功率MOSFET工作于反向常通或正向关断状态，通过多个功率MOSFET的不同工作状态相互配合来控制能量的流动方向。

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在正向Boost电路中，若变换器处于电感电流连续条件下，假设变换器损耗为零，输出电压平均值表达式为：

Uo=Uin／(1-D)      (1)

由定义可知，占空比D≤1，D=Ton／(Ton+Toff)。所以Boost电路不同于Buck电路，D不能等于1。在反向Buck电路中，电感电流处于连续工作模式下输出电压表达式为：

Uo=DUin           (2)

式(2)中占空比的选取没有特殊限制。在Buck电路中电感在VQ2导通时储能，在开关管截止期间通过同步整流管形成释放回路。Boost电路工作过程中输出需接负载，否则电感的储能就不能消耗掉，会引起输出电压升高，这也是不同于Buck电路的地方。

4 实验结果

根据上述分析，为验证原理的可行性，在实验室制作了一台50 W实验样机。开关管选用IRF540N，其导通电阻为44 mΩ。实验参数为：稳压源输出直流电压范围0～30 V，负载电压范围0～50 V，最大功率50 W，开关频率20kHz。

将驱动信号占空比取为0．4，为保留同步整流信号与驱动信号的死区时间，同步整流信号占空比也取为0．4。驱动波形如图5a所示。

系统正向工作在Boost状态下时，若输入电压为30 V，负载为50 Ω。此时输入电流为1．7 A，负载电压值为49 V，算得电路效率约为94．2％。负载上输出电压波形如图5b所示。电感电流处于连续状态，其波形如图5c所示。系统反向工作在Buck状态下时，若输入电压为30 V，负载为50 Ω。此时输入电流为0．1 A，负载电压12 V，算得效率约为96％。负载输出电压波形如图5d(上)所示。电感电流处于连续状态，其波形如图5d(下)所示。

5 结论

通过对传统混合动力系统中双向DC／DC变换器结构的改进，这里介绍了一种多通道的双向DC／DC变换器。分析了运行原理和控制策略，通过实验样机验证其可行性。该变换器能同时连接多个储能器件和直流母线，简化了传统系统中应用多个双向DC／DC变换器连接储能器件和直流母线的结构。运用同步整流原理并将其推广，利用各个开关管不同状态互相配合，控制能量在变换器中流动方向。在简化结构的同时保证了系统效率。