電動(dòng)車充電器研究與設(shè)計(jì)

電動(dòng)車充電器研究與設(shè)計(jì),電動(dòng)車,充電器,研究,鉆研,設(shè)計(jì) 高效雙向軟開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器 金俊九*，樸勝元*，金英浩*，鄭容蔡**，和王鐘源* *學(xué)校的信息與通信工程，成均館大學(xué)，北韓 **電子工程部門，南首爾大學(xué)，北韓 摘要—為了減少雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器的大小，傳統(tǒng)的撲結(jié)構(gòu)采用高頻硬開關(guān)的操作方法。隨著開關(guān)頻率越來越高，開關(guān)損耗明顯增加。為了克服這一缺點(diǎn)，通常一個(gè)輔助電路使用軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)。輔助電路的開關(guān)使用硬開關(guān)操作。在此論文中推薦使用高效雙向DC-DC變換器。建議輔助電路用一個(gè)諧振電感和兩個(gè)電容器。減少自身從開關(guān)在零電壓開關(guān)的開啟和關(guān)閉狀態(tài)下運(yùn)行的損失。推薦的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特主要點(diǎn)不僅是軟開關(guān)方法易操作，而且結(jié)構(gòu)簡單。推薦的雙向軟開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中得到驗(yàn)證。 關(guān)鍵詞—雙向轉(zhuǎn)換器，軟開關(guān)，電動(dòng)汽車，分布式電源系統(tǒng)，非隔離轉(zhuǎn)換器，零點(diǎn)壓開關(guān)，高效，諧振網(wǎng)絡(luò)。 Ⅰ.前言 由于經(jīng)濟(jì)迅速增長和對能源的巨大需求，全球的能源危機(jī)已經(jīng)加劇惡化。為了解決能源問題，像電動(dòng)汽車和分布式電源系統(tǒng)[1]-[3]這些有利于環(huán)境的系統(tǒng)已經(jīng)在研究。在這些應(yīng)用中，就像一個(gè)電池系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)必須需要保存和使用能源。因此，一個(gè)雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器（BDC）允許兩個(gè)直流電源之間的電力傳輸成為電力電子技術(shù)的重要課題。BDC分為隔離轉(zhuǎn)換器[4]-[6]和非隔離轉(zhuǎn)換器[7]-[8]。BDC尺寸更小，重量更輕并且效率更高，等等。為了盡量減少BDC的大小，必須提高開關(guān)頻率。然而，開關(guān)頻率的增加導(dǎo)致更高的開關(guān)損耗。為了解決這個(gè)問題，很多軟開關(guān)技術(shù)采用廣泛用于在DC-DC變換器的諧振網(wǎng)絡(luò)。 本文提出了一個(gè)高效率的雙向軟開關(guān)DC-DC變換器（BSDC）。推薦的轉(zhuǎn)換器是在雙向半橋型降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上。與半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，它增加了一個(gè)諧振電感、諧振電容和兩個(gè)并聯(lián)電容器。推薦的轉(zhuǎn)換器沒有額外的開關(guān)作為軟開關(guān)式主開關(guān)。 推薦的轉(zhuǎn)換器使用諧振電路可以實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)為零點(diǎn)壓開關(guān)（ZVS）。本文詳細(xì)介紹BDC的工作原理和理論分析。一個(gè)3kW的樣機(jī)已經(jīng)實(shí)施，并得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以驗(yàn)證所提出的BSDC。 Ⅱ.常規(guī)轉(zhuǎn)換器 半橋類型的BDC如圖1所示，是具有雙向功率傳輸。多電平矩陣變換器不會(huì)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)多電平矩陣變換器要提高運(yùn)行模式時(shí)開關(guān)主要是開關(guān)功能,而當(dāng)整流器工作在降壓式變換電路中時(shí)，主要的開關(guān)是。 圖1 傳統(tǒng)的半橋式類型的BDC 這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是電感電流有很多高峰波紋。缺點(diǎn)是拓?fù)涫褂糜查_關(guān)使效率降低。 解決問題的方法如下所示[8]。 1) 降低損耗減少使用軟開關(guān)的方法。 2) 使用附加濾波器的輸入和輸出。 3) 減少使用交替的紋波電流技術(shù)。 4) 利用諧振技術(shù)。 5) 使用輔助電路協(xié)助開關(guān)使用軟開關(guān)操作作為ZVT轉(zhuǎn)換器。 但是這些技術(shù)很復(fù)雜、昂貴并且難以控制。 Ⅲ.推薦的轉(zhuǎn)換器的說明 如圖2所示，是本文推薦的BSDC。與圖1相比，輔助電路由一個(gè)諧振電感、兩個(gè)諧振電容和兩個(gè)平行電容器組成。通過使用這些組件，開關(guān)作為ZVS打開或關(guān)閉沒有開關(guān)損耗。 圖2 推薦BSDC的電路配置 推薦的BSDC有兩種操作模式。升壓模式是BSDC從到傳輸，并且其他方式（升壓模式）就是此BSDC。在升壓模式中，開關(guān)作為主開關(guān)操作，開關(guān)則是被作為一個(gè)輔助開關(guān)。另一方面，在降壓模式下，開關(guān)S1則是作為主開關(guān)，而S2被作為一個(gè)輔助開關(guān)。當(dāng)電流流入通過反并聯(lián)二極管，兩個(gè)開關(guān)都打開。另外，MOSFET的傳導(dǎo)損耗小，因?yàn)槠銻DS（ON）低。儲(chǔ)存能源的電池或超級電容器作為源。電壓源連接到電力電子系統(tǒng)的DC總線，就像電網(wǎng)連接變頻器。 A. 升壓操作模式 圖3 理論值電壓和電流的升壓模式操作 如圖3所示，在升壓模式中的一個(gè)開關(guān)周期的推薦轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵波形。一個(gè)開關(guān)周期分為8個(gè)階段。觀察電流的波形，和圖中的相同。圖4則是操作的階段。 圖4 在升壓模式下變換器的等效電路的一個(gè)開關(guān)周期 l 模式1（） 當(dāng)開關(guān)的門極信號(hào)關(guān)閉，模式1被激活。當(dāng)開關(guān)關(guān)閉，流經(jīng)開關(guān)的啟動(dòng)電流通過，并且在ZVS作為條件期間為關(guān)閉狀態(tài)。由于電流流入通過，電流使開關(guān)打開，在模式2下的ZVS條件下。這種模式是第一諧振模式，并提出下列公式。 （1） （2） （3） l 模式2（） 當(dāng)電壓等于，開始模式2。電感電流和諧振電感電流流經(jīng)反并聯(lián)二極管。當(dāng)開關(guān)S1接收門信號(hào)，通過諧振電感電流下降，得到方程（4）。電流的諧振修訂者表示。當(dāng)電流變?yōu)榱?，此模式完成? （4） l 模式3（） 當(dāng)由于通過主電感器的電流使諧振電感電流的方向改變時(shí)，使模式3啟動(dòng)。在模式3中，主電感電流逐漸下降，它可以表示為方程（5）。另一方面，諧振電感電流的增加，相應(yīng)的方程如方程（6）。直到電流和量彼此相等，這種模式才算完成。 （5） （6） l 模式4（） 當(dāng)主電感電流的總合等于諧振電感的電流時(shí)，模式4開始。此模式一直保持，直到的柵極信號(hào)被關(guān)閉。在這種模式下，當(dāng)電流流過反并聯(lián)二極管，開關(guān)在ZVS狀態(tài)下打開。輸出電壓的確定取決于門信號(hào)的條件。方程（7）和方程（8）是和主電感電流和諧振電感電流分別對應(yīng)的。 （7） （8） l 模式5（） 模式5是第二個(gè)諧振模式，并且當(dāng)開關(guān)關(guān)閉關(guān)閉時(shí)，這種模式被激活。當(dāng)被關(guān)閉時(shí)，電流流經(jīng)并穿過。因此，開關(guān)在零電壓條件下被關(guān)閉。模式1和模式5之間的區(qū)別是諧振回路是相反的方向。從方程（9）到方程（11）解釋了每個(gè)諧振元件的電壓和電流的時(shí)間變化的根據(jù)。 （9） （10） （11） l 模式6（） 當(dāng)?shù)碾妷核降扔跁r(shí)，此模式開始。由于諧振電感電流的連續(xù)性，電流流過反并聯(lián)二極管。當(dāng)打開門信號(hào)開關(guān)，開關(guān)在ZVS條件下打開。 （12） （13） l 模式7（） 當(dāng)主電感器的電流水平等于諧振電感的電流水平時(shí)，模式7啟動(dòng)。自從開關(guān)為通路狀態(tài)，主電感電流將逐漸增加，給出相應(yīng)的方程（14）。從方程（15）看出，諧振電感電流驟降。此時(shí)此模式完成。 （14） （15） l 模式8（） 從模式6到模式8，主電感電流驟升，相應(yīng)的方程（16）。與先前的模式相比，諧振電感電流增加的方向相反，相應(yīng)的方程（17）。當(dāng)開關(guān)S2關(guān)閉，這種模式完成。 （16） （17） B.降壓模式運(yùn)行 降壓模式操作，也能夠被分為8個(gè)階段，比如升壓模式操作。為了比較降壓模式與升壓模式，因?yàn)椴ㄐ蔚木确治?，電壓極性和電流方向是固定的。因此，主電感電流不斷流入，甚至低于零。在零電流的基礎(chǔ)水平上，伴隨著升壓模式電流向相反方向流入。特別的，當(dāng)分析降壓模式時(shí)，開關(guān)的作用發(fā)生了改變，但分析方法與升壓模式類似。在降壓模式下，開關(guān)和分別作為主開關(guān)和輔助開關(guān)操作。 如圖5所示，在降壓模式中變換器在一個(gè)開關(guān)周期的關(guān)鍵波形。 圖5 降壓操作模式下的理論電壓和電流 從圖5中可以看出，的電流波形等同于的電流波形。圖6展示的是操作階段。 圖6 在降壓模式中變換器在一個(gè)開關(guān)周期的等效電路 Ⅳ.實(shí)驗(yàn)結(jié)果 為了驗(yàn)證推薦的BSDC的性能。實(shí)驗(yàn)裝置的安裝如圖7所示。圖7（a）描繪的是獨(dú)立PVPCS的硬件沒有升壓轉(zhuǎn)換器。圖7（b）則是雙向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 圖7 推薦BSDC的原型 獨(dú)立PVPCS需要一個(gè)雙向功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和一個(gè)像電池和超級電容器的儲(chǔ)能系統(tǒng)。能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的系統(tǒng)效率是能夠通過使用推薦的拓?fù)涮岣??？紤]電池電壓以及直流總線電壓，設(shè)為200 伏，并且設(shè)為400伏。主電感L的大小是1毫亨，使用鐵氧體磁芯。 諧振電感是PQ核心，其容量是60微亨。ICEL公司的10微法電容和5微法電容作為諧振電容，分別作為、、和。電源開關(guān)IFN70N60Q2由IXYS公司生產(chǎn)。外圍電路包括柵極驅(qū)動(dòng)器和傳感器電路。雙向轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率為30千赫。在升壓模式試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，每種模式對固定的電壓極性和電流方向進(jìn)行了比較。圖8顯示了在升壓模式下，雙向轉(zhuǎn)換器的波形。圖11對應(yīng)于降壓模式下轉(zhuǎn)換器的電壓和電流的波型。 的增加或減少同樣取決于開關(guān)，以及電流是否連續(xù)。電流波形如圖8（a）所示。諧振電感電流的波形在0安線上交替。主開關(guān)的電流和電壓如圖8（b）所示。在ZVS狀態(tài)下關(guān)閉開關(guān)，波形可以放大顯示。此外，當(dāng)電流流過反并聯(lián)二極管，收到的門信號(hào)使ZVS打開。圖8（c）所示的是一個(gè)輔助開關(guān)的電壓和電流波形。 表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù) 符號(hào) 意義 大小 P 功率 3（kW） L 主電感 1（mH） 諧振電感 60（μH） ， 諧振電容 10（?F） 高電壓 400（V） 低電壓 200（V） 轉(zhuǎn)換頻率 30（kHz） 圖8 升壓操作模式 圖9 降壓操作模式 在降壓模式下，L和的電流波形如圖9（a）所示。與升壓模式相比，因?yàn)長和電流的方向相反，這也就證明電流的極性發(fā)生改變。圖9的（b）和（c）分別顯示了開關(guān)的電壓和電流的波形。與升壓模式類似，兩個(gè)開關(guān)的打開和關(guān)閉是在ZVS條件下。雖然兩個(gè)開關(guān)和所扮演的角色發(fā)生了改變，圖9的（b）和（c）中的波形圖相似。 圖10 實(shí)驗(yàn)效率圖 傳統(tǒng)的半橋型BDC和BSDC效率圖如圖10所示。WT-3000測量效率。在與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器相同的條件下，為了測量推薦變換器的效率，推薦變換器的效率首先被測量。然后，對半橋型BDC的實(shí)用因素進(jìn)行了測量。伴隨著最低容量輕負(fù)載，最低效率為88％，負(fù)載能力越來越高，實(shí)用的因素隨之增加。與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器相比，圖10顯示了推薦BSDC的高效率。推薦的轉(zhuǎn)換器比其他任何文中提到的轉(zhuǎn)換器具有更高的效率。在升壓模式中，效率最高達(dá)到97.6％，在降壓模式中的效率達(dá)到97.48％。 Ⅴ.結(jié)論 本文提出了一個(gè)高效率的雙向軟開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器。推薦的轉(zhuǎn)換器基于雙向半橋型降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與半橋拓?fù)湎啾龋幸粋€(gè)諧振電感、諧振電容和兩個(gè)額外并聯(lián)電容器。推薦的轉(zhuǎn)換器對于主開關(guān)的軟開關(guān)沒有額外的開關(guān)。推薦的轉(zhuǎn)換器使用諧振電路對于所有開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。推薦的轉(zhuǎn)換器比文中提到的其他轉(zhuǎn)換可以實(shí)現(xiàn)更高的效率。在升壓模式中，最高的效率可以達(dá)到97.6％，并可以在降壓模式達(dá)到97.48％的效率。 Ⅵ.致謝 這項(xiàng)工作是知識(shí)經(jīng)濟(jì)部（MKE）由財(cái)政支持的學(xué)校的專業(yè)研究生培養(yǎng)項(xiàng)目的成果。 參考文獻(xiàn) [ 1 ] F. 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