【自动化】翻译-高效双向软开关dc-dc转换器

高效双向软开关DCDC转换器金俊九，朴胜元，金英浩，郑容蔡，和王钟源学校的信息与通信工程，成均馆大学，北韩电子工程部门，南首尔大学，北韩摘要为了减少双向DCDC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DCDC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DCDC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。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13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DCDC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46和非隔离转换器78。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DCDC变换器的谐振网络。本文提出了一个高效率的双向软开关DCDC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，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2S2S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）TIZTVTRRRCOCRSINCS1211（2）RRRR2（3）TZTITIRRCORRLRSINCS211模式2（）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，模式4开始。此模式一LILRI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）TIZTVTRRROCRSINCOS411（10）RRRR22（11）TZTIITIRRORLRSINCOS144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）62RRORITTI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2COILRI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。WT3000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，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976，在降压模式中的效率达到9748。结论本文提出了一个高效率的双向软开关DCDC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976，并可以在降压模式达到9748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1FZPENG，HLI,，GJSU，和JSLAWLER，“一种新的用于燃料电池和电池的应用的零电压开关双向DCDC转换器”，IEEETRANSPOWERELECTRON，第19期，第一章，5465页，2004年1月。2MDJAIN和PJAIN，“双向DCDC变换器拓扑结构的低功耗应用”，IEEETRANSPOWERELECTRON，第15期，第四章，595606页，2000年7月。3KMA和YLEE，“一个直流不间断电源的集成反激式转换器”，IEEETRANSPOWERELECTRON，第11期，第二章，318327页，1996年3月。4MJAIN，MDANIELE和PKJAIN，“用于低功耗应用的双向DCDC转换器拓扑结构”，IEEETRANSPOWERELECTRON，第15期，第四章，595606页，2000年7月。5HLI，FZPENG和JSLAWLER，“一个最少设备的天然ZVS中等功率的双向DCDC转换器”，IEEETRANSACTIONSONINDUSTRYAPPLICATIONS，第39期，第二章，525535页，2003年3月。6SINOUE和HAKAGI，“作为下一代的中压电力转换系统的核心电路的双向隔离式DCDC转换器”，IEEETRANSACTIONSONINDUSTRYAPPLICATIONS，第22期，第二章，535542页，2007年3月。7LSCHUCH,，CRECH，HLHEY，HAGRUNDLINGGRUNDLING，