无源无损软开关在电动汽车用DCDC中的应用

同济大学电子与信息工程学院 硕士学位论文 无源无损软开关在电动汽车用DC/DC中的应用 姓名：程哲昕 申请学位级别：硕士 专业：电机与电器 指导教师：姚勇涛 20090101 摘要 摘要 近年来燃料电池电动汽车成为发展和研究的热点，每年有大量的课题进行 立项研究。燃料电池电动汽车关键技术的突破，标志着电动汽车技术逐渐走向 成熟。车载D C D C 变换器是燃料电池电动汽车的重要零部件之一，软开关技术 可使得D C D C 变换器更加小型、更加可靠，更加高效率，从而推动燃料电池电 动汽车技术的发展。 传统非隔离脉宽调制( P u l s eW i d t hM o d u l a t i o n ，P W M ) 变换器由于具有电 路拓扑简单、体积小、控制简便、效率高等优点而被国内的燃料电池电动汽车 广泛应用。但是硬开关的工作模式通常会带来开关损耗过大、电应力过高以及 E M I 严重等缺陷问题。为了提高变换器效率和减小电磁辐射，软开关技术的应 用是一种解决方案，在大功率应用场合，无源无损软开关是一种趋势。 本论文首先讨论了硬开关下的D C D C 变换器的工作原理，分析了变换器开 关损耗产生的原因。 其次详细分析了多种无源无损软开关的电路以及工作原理，包括D C D C 中 主开关的软开关技术以及续流二极管的软开关技术? 给出了各个工作状态，并 阐述了其缓冲元件参数设置方法。利用O r C A D 仿真软件进行仿真初步证明了 无源无损软开关的效果。本文在变换器控制方面也进行了较为详细的论述，并 为实验设计了一个电压模式的传统P I 控制。 最后实验在B u c k B o o s t 主电路实验平台上进行了功率为2 0 0 瓦到5 0 0 瓦的 实验，实验波形很好地证明了无源无损软开关技术的实用性。 关键字：无源无损，硬开关，软开关，开关损耗 A b s t r a c t A B S T R A C T W i t ht h eF u e lC e l lE l e c t r i cV e h i c l e ( F C E V ) b e c o m i n gt h eh o ti s s u eo fr e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n t ，t h e r ea r ec o n s i d e r a b l ep r o je c t si nt h i sf i e l db e e ns e tu pe v e r yy e a r T h eb r e a k t h r o u g ho ft h ek e yt e c h n o l o g yo fF C E Vi st h es y m b o lo ft h em a t u r eo f e l e c t r i cv e h i c l et e c h n o l o g y S o f t s w i t c h i n gt e c h n i q u ec a nm a k et h eD C D Cc o n v e r t e r w h i c hi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t si nF C E Vs m a l l e r , m o r er e l i a b l ea n dm o r e e f f i c i e n t ，r e s u l t i n gi np r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h eF C E Vt e c h n i q u e D u et oi t s s i m p l et o p o l o g y , s m a l lv o l u m e ，c o n v e n i e n tc o n t r o la n dh i g h e f f i c i e n c y , t h et r a d i t i o n a ln o n i s o l a t e dP W M c o n v e r t e ri sw i d e l yu s e di nd o m e s t i c F C E V B u th a r d - s w i t c h i n gm o d eb r i n g ss e v e r a lp r o b l e m ss u c ha ss e v e r es w i t c h i n g l o s s ，h i g hv o l t a g es t r e s sa n ds e r i o u sE M I S ot h ea p p l i c a t i o no ft h es o f t s w i t c h i n g t e c h n i q u ec a ns o l v et h e s ep r o b l e m s ，m o r e o v e re n h a n c et h e c o n v e r t e re f f i c i e n c ya n d r e d u c eE M I E s p e c i a l l yi nt h eo c c a s i o no fb i gp o w e r , i ti sat r e n dt ou s et h ep a s s i v e l o s s l e s ss o f t s w i t c h i n gt e c h n i q u e A tf i r s t ，t h ew o r kt h e o r yo fD C D Cc o n v e r t e ru n d e rt h eh a r d - s w i t c h i n gm o d ei s d i s c u s s e da n dt h ec a u s eo fs w i t c h i n gl o s sa n a l y z e di nt h i sp a p e r T h e n ，t h et o p o l o g i e sa n dw o r kt h e o r yo fs e v e r a lp a s s i v el o s s l e s ss o f t - s w i t c h i n g c i r c u i t si n c l u d i n gt h o s eu s e di nm a i ns w i t c ha n dw h e e l i n gd i o d ea r ea n a l y z e di n d e t a i l E a c ho p e r a t i o ns t a t ei sg i v e na n dt h em e t h o do fc a l c u l a t i n gb u f f e rp a r a m e t e r s i sp u tf o r w a r d T h ee f f e c to fp a s s i v el o s s l e s ss o f t - s w i t c h i n gt e c h n i q u ei sp r o v e db y s i m u l a t i o nt o o l ss u c ha sO r C A D M o r e o v e r , t h ec o n t r o lm e t h o d sa l ed i s c u s s e da n da P Ic o n t r o lc i r c u i ti nv o l t a g em o d ei sd e s i g n e d A t1 a S t ，t h ee x p e r i m e n t ，w h i c hi se x e c u t e du n d e rt h ec o n d i t i o no f2 0 0 wt o5 0 0 w o nt h ep l a t f o r mo fB u c kD C D Cc o n v e r t e r , p r o v e st h ep r a c t i c a b i l i t yo ft h ep a s s i v e l o s s l e s ss o f t - s w i t c h i n gt e c h n i q u e K e yW o r d s ：p a s s i v el o s s l e s s ，h a r d - s w i t c h i n g ，s o f t - s w i t c h i n g ，s w i t c h i n gl o s s I I 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：带节听 矽( 7 年月7 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：私移日f 沙1 年1月0 | 日 第l 章绪论 1 1 燃料电池电动汽车 第1 章绪论 1 1 1 燃料电池电动汽车的发展概述 作为我国城市交通运输的主要工具，传统汽车正面临环境保护和能源危机 的严峻挑战，发展电动汽车已是相当迫切的任务了。目前电动汽车分为三种： 纯电动汽车、燃料电池电动汽车和混合动力电动汽车。其中采用燃料电池作为 主要电源的电动车称为燃料电池电动车，即F u e lC e l lE l e c t r i cV e h i c l e ( F C E V ) 。 汽车界人士认为燃料电池具有燃料效率高、质量能量大、功率大、供电时间长、 使用寿命长、可靠性高、噪声低及不产生有害排放物等优点，而基于燃料电池 的电动车是汽车工业的一大革命，是2 l 世纪真正的纯绿色环保车，是最具实际 意义的环保车种，也是今后电动汽车发展的方向。 燃料电池以其特有的燃料效率高、质量能量大、功率大、供电时问长、使 用寿命长、可靠性高、噪声低及不产生有害排放物N 0 2 等优点正在引起世界各 国的注意。与内燃机汽车相比，氢燃料电池电动汽车有害气体的排放量减少 9 9 ，C 0 2 的生成量减少7 5 ，电池能量转换效率约为内燃机效率的2 5 倍。这 种电池将有可能成为继内燃机之后的汽车最佳动力源之一。 1 1 2 燃料电池电动汽车的优点 汽车尾气是一个巨大的流动污染源，占总气体污染物的一半以上，并有增 加的趋势，控制汽车尾气对改善环境质量有着重大的意义。对于汽车而言，热 机的效率只有1 2 1 5 ，燃料电池的效率可达到3 0 , - - 4 0 。燃料电池是一个电 化学反映系统，主要产生电能，并把氢气和氧气转化为水。内燃机则主要产生 热能，只有一少部分变成有用的机械功，而且燃烧尾气成分复杂。总之，燃料 电池动力交通工具对环境的意义是很明显的。 燃料电池作为汽车车用电源，平时将燃料和氧化剂分别作为电池两极的活 性物质保存在电池的本体之外，当工作时燃料连续通入电池体内，使电池放电。 第1 章绪论 将氢气送到电池负极，经过催化剂的作用，氢原子中的两个电子被分离出来， 失去电子的氢离子穿过固体电解质，在正极氧原子和电子重新结合成水。燃料 电池把燃料中的化学能直接转化为电能，由于不通过热机过程，f l y I 受卡诺循 环的限制，因而具有很高的能源转换率。 燃料电池不存在自放电问题，不受体积限制，不存在能量限制问题。与普 通电池相比，不需要充电，因而能像发电机一样源源不断地向外部供应能量。 车用燃料电池必须满足少维修、保养费用低、耐震性强、耐冲击性强、从低负 荷到高负荷都能得到高效率等特点。 通过有关专家调查我国城市交通市场，得出结论：我国城市交通车辆与国 外相差二十至三十年，但是电动汽车与国外的差距只有四年左右。燃料电池电 动汽车为国家科技部“8 6 3 ”计划能源技术领域中的重大专项，我国将投入大量 的人力及资金予以攻关。为了填补国内空白，进一步缩小在该领域和发达国家 的距离，大力发展电动汽车既有重大的现实意义，又有深远的历史意义。 1 1 3 燃料电池电动汽车的开发现状 燃料电池汽车( F u e lC e l lV e h i c l e ，F C V ) 的开发已从在各汽车厂家的试车 线上运行，过渡到公路运行试验阶段。最近已公布的主要的F C V 有：日本丰田 公司的F C H V - 4 ，最高速度1 5 0k m h ，连续运行距离3 0 0k m 以上，电池功率 9 0k w ；该公司的F C H V - - B U S l 最高速度8 0k m h ，连续行驶距离可达3 0 0 k m 。 此外，该公司还丌发了F C H V - 5 ，电池功率也为9 0k W 。同本本田公司的燃料电 池汽车F C X V 3 ，最高行驶速度1 3 0k m h ，连续运行距离1 8 0 k m ，电池输出功 率6 0 k w ；该公司的另一种电动汽车为F C X V 4 ，其最高行驶速度1 4 0k m h ，连 续运行距离可达3 0 0k m ，电池输出为7 8K w ；日本R 产汽车公司的燃料电池汽 车X t e l T aF C V ，最高行驶速度1 2 0 k m h ，电池输出7 5 k W ；戴姆勒克莱斯勒公 司开发的N e c a r 4 A ，最高速度为1 4 5k m h ，电池输7 0 k W ；该公司的另一款燃 料电池汽车性能更好：最高速度8 0k m h 以上，而连续行驶距离可达2 0 0 , - , 3 0 0 k m ，燃料电池输出为2 5 0k W ；该公司的N e c a r - 4 型汽车性能更上一层楼：最高 行驶速度1 4 5k m h ，连续行驶距离达4 5 0 k m ，电池输出7 0 k W ；该公司还开发 了N e c a r 5 型电动汽车，其最高行驶速度为1 5 0 k m h ，燃料电池输出7 5k W 。还 有美国福特公司开发的F o c u sF C V ，最高行驶速度1 2 8k m h 以上， 连续运行 2 第l 章绪论 距离1 6 0k m ，电池输出6 7k W ：美国G M 公司推出了H y c l r o G e n l 型车，最高 行驶速度达1 4 0k r n h ，连续行驶距离为4 0 0k m ；该公司的另一种车型为 H y c l r o G e n 3 ，最高速发月1 5 0k m h ，连续行驶距离4 0 0k m ，电池输出9 4k w 此 外，还有同本马自达等汽车厂家也推出了各具特色的燃料电池电动汽车。最近， 以氢气为燃料的F C V 车，已从技术验证阶段过渡到了走向市场的商品性能验证 阶段，即通过一系列的技术性能验证、试验及不断完善，开创了这类汽车面向 实用化的新局面。 我国在燃料电池电动车领域的研究水平与发达国家相差无几，由清华大学 和北京富源新技术开发总公司联合研制的我国第一辆质子交换膜燃料电池电动 旅游观光车，展示了国内研制电动车的最新技术。有关专家指出，我国完全有 能力在这一领域赶超世界先进水平。 1 2 燃料电池汽车用D C D C 变换器 燃料电池工作过程中，随着负载的变化，输出电压波动范围也较大，燃料 电池具有较软的输出特性，因此必须经过D C D C 变换器改善电池的软特性。而 适用于燃料电池电动汽车用的D C D C 变换器需要较高的功率密度，有自身的特 殊性，所以，开发、研制大功率D C D C 变换器具有较为重大的科学意义： ( 1 ) 可提高我国大功率D C D C 变换器理论和产品的研究开发水平。使我 国在大功率D C D C 变换器技术方面迅速赶上当代国际先进水平。 ( 2 ) 促进燃料电池电动汽车的发展。 ( 3 ) 大功率D C D C 变换器是燃料电池电动汽车中重要部件。此外，大功 率D C D C 变换器还可应用在燃料电池移动电源等领域，促进燃料电池技术走向 产业化，市场前景广阔。而双向D C D C 变换器既可以为燃料电池电动汽车提供 稳定的电源，也能够充当混合动力电动车和纯电动车的能量回馈系统，是电动 汽车的一项关键技术。 ( 4 ) 参与国际竞争，抢占国际市场。 1 3 软开关技术的提出 为了减小变换器体积和重量，必须实现高频化。要提高开关频率，同时提 第1 章绪论 高变换器的工作效率，就必须有效地减小丌关损耗。为了减小开关损耗，必须 实现开关管的软丌关( S o f t S w i t c h i n g ) ，因此软丌关技术应运而生。图1 1 给出 了午人”矢条件下开关管的示例波形图。从前面的分析知道，丌关损耗分为丌通 损耗和关断损耗，而针对不同的损耗，软开关可以分为软开通和软关断。按驱 动信号的时序，软丌通又可以分为零电流开通，即在开关管开通时使其电流保 持在零，或者限制电流的上升率，从而减小电流与电压的交叠区，见图1 1 ( a ) 以及零电压丌通，即在丌关管丌通前使其电压下降到零，见图1 1 ( b ) ，软关断 可以分为零电流关断即在开关管关断前使其电流减小到零，见图1 1 ( a ) 与零 电压关断，即在开关管开通时使其电压保持在零，或者限制电压的上升率，见 图1 1 ( b ) 。从图中可以看出，开关损耗能够大大减小甚至完全消除。图1 1 为 软开关条件下的丌关轨迹，从图中可以看出，开关管的工作条件有了很大的改 盖 口0 变换器的软开关技术实际上是利用电路发生谐振时，电流或电压周期性地 过零点，从而使开关器件得以在零电流或者零电压条件下开关，达到减小开关 损耗的目的。软开关技术不像硬开关那样由于电压电流波形交叠而产生丌通及 关断损耗，也不是通过有损缓冲电路转移吸收损耗，而是真正的减小开关损耗。 从理论上说，它的丌关损耗能够减小到零。 ( a ) 零电流开关 ( b ) 零电压开关 图1 1 开关管实现软开关的波形图 1 4 本课题研究的目的与意义 4 第1 章绪论 车载D C D C 变换器是燃料电池电动汽车的重要零部件之一，针对其小型化 和可靠性方面的研究非常有必要，这就是本课题的直接目的。因为软开关技术 可使得D C D C 变换器更3 r id , 型、更加可靠，更加高效率，从而推动燃料电池汽 车技术的发展。 非隔离P W M 变换器由于具有电路拓扑简单、体积小、控制简便、效率高 等优点而被国内的燃料电池电动汽车广泛应用。但是硬开关的工作模式通常会 带来开关损耗过大、电应力过高以及电磁干扰( E l e c t r o m a g n e t i cI n t e r f e r e n c e ， E M I ) 严重等缺陷问题。为了提高变换器效率和减小电磁辐射，软开关技术的 应用是一种解决方案。 本课题所研究的目的是解决传统硬开关D C D C 变化器开关损耗过大，E M I 噪声过大等缺点。 无源无损技术是在原来有损耗的R C 吸收电路的基础上，利用开关管开通 和关断的状态变化，附加的无源馈能电路，因此可以使用合适的缓冲元件参数， 将缓冲开通或者缓冲关断的储能元件所吸收的能量以无源方式回馈到电源端或 者负载，实现储能元件的复位，从而实现主电路电力电子器件的零电流开通与 零电压关断。这种技术以比较简单的电路拓扑和较小的额外损耗，可以获得接 近于有源软开关的效果。无源无损技术的特点是将开关状态过渡时期的电压和 电流波形错开，使电压和电流的交叠面积变得很小，从而显著降低开关损耗。 有源软开关技术和无源无损技术中都利用了L C 谐振原理，不同的是，有 源软开关直接利用谐振来实现开关器件的零电压和零电流开通或关断。而无源 无损技术则利用谐振来回馈能量以实现无损开关。 虽然无源无损技术不能解决开关器件内部寄生电容产生的放电损耗，但是 这种损耗很低，比有源软开关中辅助开关器件带来的附加损耗要低。有源软开 关使用了辅助开关器件，而无源无损软开关只加入了二极管和其他谐振器件， 不需要附加有源开关器件，也就不改变原有的电路参数与控制信号的设计，所 以具有电路简单、应用方便、可靠性高、适用面广、成本较低等优点。 1 5 本文研究的主要内容 本文对燃料电池用D C D C 变换器的基本原理及无源无损软开关技术在大 功率D C D C 变换器上的应用原理做了详细的研究，对系统的控制方法也进行了 5 第1 章绪论 具体的论述。全文内容安排如下： 第一章绪论主要介绍了燃料电池电动汽车的发展，燃料电池的特点和无源 软开关技术的主要原理以及其使用场合和优点。 第二章主要介绍了燃料电池电动汽车用D C D C 变换器的功能，变换器的整 体技术指标的分析，主电路的选型，以及对2 个基本变换器电路的工作进行详 细分析，并且就一些重要的参数进行研究，为下一章加入无源缓冲元件的设计 作好铺垫。 第三章重点介绍了无源无损软开关技术在B u c k 、B o o s t 电路中的应用。本 章分为三部分，第一是对具有最小电压应力无源无损软丌关进行研究；第二是 对无最小电压应力无源无损软丌关进行研究；第三是研究了3 种最新提出的无 源无损软开关技术。运用O r C A D 对软开关主电路进行了仿真，给出了仿真结 果，并对一些无源缓冲元件的参数设计进行了论述。 第四章介绍了如何解决普通直流变换器和交错并联直流变换器的主二极管 反向恢复使其软丌关的问题。 第五章对变换器工作的控制方法进行了理论分析，并在此基础上运用 M A T L A B s i m u l i n k 对整个闭环电路进行了仿真。 第六章对前几章所介绍的一些软开关技术进行实验，得出实验结果，并对 其进行分析， 第七章总结本论文的研究成果，并提出今后的工作方向。 6 第2 章燃料电池汽午用D C D C 变换器 第2 章燃料电池汽车用D C D C 变换器 2 1F C E V 的工作特点和对D C D C 变换器的要求 2 1 1F C E V 的工作特点 图2 1 为燃料电池输出电流电压特性曲线。从图中可以看出，在燃料电池 输出功率的起始阶段，输出电压V 斥。下降较快，随着输出电流厶的增大，输出 电压下降，下降斜率比普通电池大得多，因此燃料电池的输出特性相对较软。 U 缸 ( U 油1 J o O 图2 1 燃料电池输出电流一电压特性曲线 I 燃料电池 二割。c 仍c 变换器| 么 D C A C 卜 电动机 蓄电池| 弋7 变换器 y 。 图2 2F C E V 能量流动简图 图2 2 为F C E V 能量流动简图。燃料电池( F C ) 为车载电源，其输出经D C D C 变换器后输出到D C A C 逆变器，由D C A C 逆变器驱动交流电机。F C E V 必须 采用D C D C 变换器，其原因为： 7 第2 章燃料电池汽乍川D C D C 变换器 ( 1 ) F C 特性软，由图2 1 可知，在燃料电池的工作过程中，随着负载的 变化，燃料电池的输出电压波动范围也较大，必须经过D C D C 变换器改善电池 的软输出特性。红也o C D C 变换器不仅可使F C 的输出电压稳定，且通过D C D C 变换器升压或降压，可以满足D C A C 的电压等级配合要求。 ( 2 ) F C 不能承受能量回馈，在中问环节使用D C D C 变换器可以满足F C E V 这方面的特性要求。 2 1 2F C E V 对D C D C 变换器特性的要求 D C D C 变换器除了要适应F C E V 的工作方式和动力性能外，受到空问和能 源的限制，对主电路提出了较高的要求： ( 1 ) 体积小F E C V 本身车体小，对轿车的要求更为严格，D C D C 变换器 在车体中的安装体积十分有限，要求他具有很高的功率体积比。 ( 2 ) 重量轻重量对整车的性能指标起着关键的作用。 ( 3 ) 效率高F C V 的输出功率受车体体积限制不可能设计的很宽裕，因此 D C D C 变换器必须具有很高的转换效率。 2 2D C D C 主电路的方案研究 2 2 1 非隔离D C D C 变换器 D C D C 变换器按输入和输出有没有电气隔离分为两类：没有电气隔离的非 隔离变换器和用变压器对输入输出进行隔离的隔离变换器。 非隔离变换器有降压、升压、升降压、C u k 变换器等。 r_ 羽 ( a ) B u c k 变换器( b ) B o o s t 变换器 第2 章燃料电池汽车川D C D C 变换器 V ZD RV ( C ) B u c k B o o s t 变换器( d ) C u k 变换器 图2 3 各种非隔离变换器 图2 3 ( a ) 是降压型变换器主电路原理图，开关管Z 导通时，电感L 中的 电流线形上升；开关管断开时，电感上的电流通过二极管续流，和电容一起对 负载供电。Z o = D 形。( D 为开关管的占空比) ，由于D I ，因此在B u c k 变换器 中，总有Z oz n 。 图2 3 ( b ) 是升压型变换器主电路原理图，开关管导通时，电感处于充电 状态，电感电流在输入电压V i n 的作用下线形上升；当开关管断开时，电感通 过二极管D 续流，对负载进行供电。Z o K 。= 1 l D ，由于D K 。 图2 3 ( c ) 是B u c k B o o s t 变换器主电路原理图，它是升降压型变换器， = D 1 - D ，当D 0 5 时， 圪；当D 圪。 图2 3 ( d ) 是C u k 变换器主电路原理图，它也是升降压型变换器， V o = D 1 一D ，当D 0 5 时， ；当D 。 B u c k B o o s t 变换器是通过电感L 来传递能量的，C u k 变换器是通过电容C l 来传递能量的。 2 2 2 隔离D C D C 变换器 有隔离的变换器可以实现输入与输出的电气隔离，通常采用变压器实现隔 离，可按所用功率器件的数量来分类。单管有正激式和反激式；双管有双管正 激、反激、推挽和半桥等四种：四管变换器就是全桥变换器。图2 4 为全桥变 换器。 9 第2 章燃料电池汽乍川D C D C 变换器 V 2 3 主电路的选型 图2 4 全桥隔离变换器 R 根据D C D C 变换器在燃料电池电动轿车中的作用以及运行的特殊要求，所 要应用的D C D C 变换器必须满足以下一些要求： ( 1 ) 变换器是能量传递部件，因此需要满足转换效率高的要求，以便提高 能源的利用率。 ( 2 ) 根据燃料电池的输出电压的要求，在汽车启动时应该用降压变换器给 电动机供电，在汽车制动时应该用升压变换器把能量回收到超级电容中。 ( 3 ) 由于燃料电池输出不稳定，需要变换器具有良好的动念调节能力。 ( 4 ) 为了提高汽车的功率密度比，需要汽车的各部件体积小，重量轻，以 提高燃料电池电动轿车的运输能力，使其更有实用价值。因而D C D C 变换器要 满足体积小，重量轻的要求。 综合以上要求，电动轿车用D C D C 变换器的主电路对体积和效率要求非常 严格，所以主电路拟采用非隔离式的B u c k B o o s t 双向变换器拓扑结构。 1 0 第2 章燃料电池汽车川D C D C 变换器 V D 2 图2 5B u c k B o o s t 舣向变换器 R 图2 5 是非隔离B u c k B o o s t 双向变换器电路，正向工作在B o o s t 状念，此 时Z ，常开，它的反并联二极管作为续流二极管，C l 输入滤波，C ，输出滤波； 反向工作在B u c k 状态，此时Z 。常开，它的反并联二极管作为续流二极管，C 输 出滤波，c l 输出滤波。这个电路结构简单，元器件数量较全桥双向变换器少很 多，可靠性较高。 在实际情况中，R 端为一个超级电容，V 为电机，汽车启动时超级电容通 过降压变换给电机供电，汽车制动时，能量通过升压变换回收到超级电容中。 由于本课题所用到的是B u c k 和B o o s tD C D C 变换器，所以在下节中详细 介绍这两种拓扑的工作原理。 2 3 1B u c k 模式1 2 9 I 2 3 1 1B u c k 电路工作原理 B u c k 降压D C D C 变换器的主电路如图2 6 所示，主电路由功率开关器件 T 、电感L 、滤波电容C 和二极管D 组成。 V s SL t 时，电路工作在连续模式； 当L t 时，电路工作在不连续模式。 2 3 2B o o s t 模式1 2 9 I 2 3 _ 2 - 1B o o s t 电路工作原理 B o o s t 升压D C D C 变换器的主电路如图2 9 所示，主电路由功率开关器件 T 、电感L 、滤波电容C 和二极管D 组成。 V s LD 图2 9B o o s t 电路拓扑结构 + V 0 电路工作过程如下：当功率器件断开时，如图2 1 0 ( a ) 所示，d a 流i L 流过 电感线圈L ，向电容c 充电，电阻R 上流过的电流为I o ，R 两端为输出电压， 极性上J 下下负。 LDL 4 - V 0V s 一 c 锕 L 一 亡- S 图2 1 0B o o s t 电路工作过程 ( b ) + V o _ 功率器件导通时，如2 1 0 ( b ) 所示，由于电源输入端通过左边的回路给电 感L 充电，以保持t 不变。同时，电容C 两端电压将向负载R 供电。由于有输 出滤波电容C 的存在，使得负载R 上有稳定、连续的电压输出。 第2 章燃料电池汽车用D C D C 变换器 2 3 2 - 2 工作模式及各点的波形 该电路也有两种工作模式：电感电流连续模式C C M ( C o n t i n u o u sC u r r e n t M o d e ) 和电感电流断续模式D C M ( D i s c o n t m u o u sC u r r e n tM o d e ) 。 在电流连续工作模式下，波形如图2 1 1 ( a ) 所示。在i ，开关周期疋最后时 刻的电流，。值，就是下一个Z 周期中电流f ，的开始值。但是，如果电感量过小， 电流线性下降快，即在电感中能量释放完时，尚未达到功率器件重新导通的时 刻，而能量得不到及时的补充，这样就会出现电流不连续的工作状态，如图2 1 l ( b ) 所示。 2 3 2 3 主要参数 1 电压增益 t I L I s t V L 图2 1 1B o o s t 电路j I ：作波形图 ( b ) 当电路工作在电感电流连续的模式下，如图2 1 1 ( a ) 所示，开关周期为五， 闭合时间为= D l e ，断丌时间为t 2 - t ；= 砬Z 。D I 为接通时间占空比，D 2 为断开 时问占空比，电流连续模式下D I + D 2 = 1 。 在输入输出电压不变的前提下，当功率器件开通时，t 线性上升，其电感 电流增量为： 1 6 k k m 讥 垤 mV 第2 章燃料电池汽下朋D C D C 变换器 A i z , = 手D l t 功率器件关断时，f ，线性下降，其增量为： 瓴：一毕D 2 I 由于稳态时这两个电流变化量绝对值相等。= l - A i 。：l ，所以 兰兰显：( 堡二笙! 垒三 三 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 由此式0 - 7 以推出电雎增益为： M ：监：上：上( 2 1 2 ) y s1 一D l 3 2 当电感较小、或负载电阻较大、或I 较大时，变换器工作波形如图2 1 1 ( b ) 所示，称为电感电流断续工作模式。此时，当功率器件导通时电感电流的增量 为： 屹= 暑q 乃 ( 2 1 3 ) 功率开关器件在关断时，在B I 期间，电流线性下降到零，其电感电流增 量为： 她2 v , L - r oo ：, ( 2 1 4 ) 功率器件在关断中的剩余时间e 一( D l + 3 2 ) e 时间内，电流为0 。 最后可导出： M ：! 型! 三垡生( 2 1 5 ) 舯吒专 2 电流连续与不连续工作模式的临界条件 B o o s t 变换器工作在电流连续与不连续状态之间有个临界状态，与电感的平 均电流的关系为： j 1 t X o 时为电流不连续模式。 根据式( 2 2 ) ，整理得： 铲掣 ( 2 1 6 ) 上式即为电流连续的临界条件，满足该条件的L 即为临界电感，可表为t 。 当吒 气时，电路- 1 - 作在连续模式； 当Z L V I O 蔫2 5 + 一睁 f j j 爿翟十一门 辫 = 图3 1 1 谐振关断瞬间 ( b ) ( a ) 小电流。，= k 5 ，V I O 杉 V I O 一一Q 2= 1 5 毒i f l ： 2 5 3 5 一一 4 5 5 5 矽。I 。 B 与 埠 溥 盘 一 O m 瓯 叭 n 乱 t i 鼍c窜毒 52O 2 O 5 k IO 5OO O 一 一 一 一 一 一 一 幅箱鞲惦醛 Il k I卜lI陟I孵龇l瞄I 冀一埒，孓，了，一 一 一l_：| 置I，蓠地l-帝k一舡_中，一I I 1_f|：_：If一00呷一，1 ：耋 ! 耋 喵 耋 。 懈 懈 = ： 懈 。 2O5O，O k 5OOO 2O佰O，O k OO 第3 章无源无损软开关技术 3 8P S P I C E 仿真结果分析 为了进一步研究无源无损软开关的作用，这罩利用P S P I C E 扒I - I * 件对多种无 源无损软开关电路进行仿真，得到主开关管的电压电流波形和其他一些元件的 波形，并和硬开关模式下的变换器作比较，证明无源无损软开关的可行性。 M V S B u c k 主电路拓扑： Z 1 5 L 1 图3 1 2P S P I C EB u c k 主电路仿真图 ! ； ： 冀； ： ： r ；：耋茎叁开i ! ! 卢j 一矗弼 较开美开孟 Z 电置 + ，! 一 ， ， ，。j 。一； X ! i l ? N l 。太 一雾 霁船 ! ： 7 ； ；一一 ； ( 轴：0 0 5 u s 每格 Y 轴：1 0 M 每格) 图3 1 3 开通时硬开关和软开关的电压电流波形 3 7 第3 章无源无损软开关技术 “。w 1 ”x ”1 ： ： ：叠较开美美 ； ： ；一，；- 皤电压矗- “ - - r + ，_ 1 。一一 ，自c 04 ， 。4，。 曩1一曩。 # 然萎， ，。 ， ， i 。：爱开笑关巧电： 一“ ” i 承一r 一 ￥p 一、i i 。-v-n，7o。 1 ：t 毪 40 软开关关晒电： 生 。曼己，j 。k。十4 0 t t4 _ _ 一4 办h慨嘲 ( x 轴：0 0 2 u s 每格 Y 轴：4 0 A 每格) 图3 1 4 关断时硬开关和软开关的电压电流波形 j 1 ，0 拳 I K 、 、；”。 寨 | 一_ 。 、|。F ( x 轴：0 0 2 m s 每格 Y 轴：2 5 A 每格) 图3 1 5 软开关元件D 1 6 的电流波形 从图中可看出，在开通时刻，软开关模式下的开关电流上升斜率较低，开 关电压下降较快，因此电压电流交叠面积就比硬丌关模式下的要小，减小了开 关的开通损耗；在关断时刻，软开关模式下的电流下降较快，也使电压电流的 交叠面积变小，减小了开关的关断损耗。而辅助二极管的电流和主二极管的电 流相比很小，因此带来的额外损耗也很小。 N O N M V S B o o s t 主拓扑： 第3 章无源无损软开关技术 图3 1 6P S P I C EB o o s t 主电路仿真图 ( X 轴：0 0 5 u s 每格 Y 轴：1 0 A 每格) 图3 1 7 开通时硬开关和软开关的电压电流波形 3 9 R 7 5 第3 章无源无损软开关技术 i I 。1 j i? 1 i 1 。 j ”7 j ”j j ：】看