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多通道双向DC/DC变换器的研究

来源:    作者:    发布时间:2015-05-04 08:31:00    浏览量:

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、超级电容差模电感器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,该变换器不仅简化工字电感器了系统结构,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。

a.JPG

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组成的双差模电感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。

b.JPG

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。

c.JPG

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。

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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。

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