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1、软开关双向直流变换器buck工作模式分析随着环境污染问题及能源短缺问题的加重，如何高效合理地利用新型清洁能源早已成为各领域研究的热点。在交通运输领域，新型电动汽车不断涌现，并呈现逐步取代传统燃油汽车的趋势。与传统燃油汽车相比，电动汽车的一大优势在于能够在制动过程中利用再生制动系统将电机制动能量回收，并在电动汽车启动和加速时将其重新利用。双向直流变换器为再生制动系统的核心。在电动汽车驱动时储能电池通过双向直流变换器向电机供电，在制动时电动机的制动能量通过双向直流变换器回馈给储能电池【1】。据估算，电动汽车的制动能量占其消耗总能量的30%40%。因此，研发高效的双向直流变换器，不断提高再生制动系统
2、的性能，能够充分体现电动汽车的节能环保优势【2】。针对以上问题，笔者提出了一种靠有源缓冲电路实现软开关的双向直流变换器。在该双向直流变换器中，有源缓冲电路只有在实现软开关的过程中处于工作状态，其上电开通的时间很短，从而有效地减少了辅助电路带来的损耗，并且很好地解决了开关管寄生二极管的反向恢复问题，使双向直流变换器在具有较高效率的同时又能够稳定输出。以下将针对笔者提出的软开关双向直流变换器，从电路结构、工作原理以及实验结果分析等方面进行详细叙述。1 软开关双向直流变换器的电路结构笔者研究的软开关双向直流变换器包括两个工作模式：boost工作模式和buck工作模式。当软开关双向直流变换器工作于bo
3、ost工作模式时，电机正常驱动电动汽车，储能电池通过变换器为电机供电。而当软开关双向直流变换器工作于buck工作模式时，电机反向制动，并通过变换器向储能电池充电【3】。第66页图1为软开关双向直流变换器电路结构。在图1所示的软开关双向直流变换器中，Vlo为储能电池电压，Vhi为电机侧直流电压。开关管S1与S2为软开关双向直流变换器的工作开关管，其作用取决于变换器的工作模式。当变换器工作于boost工作模式时，开关管S1为主开关管，开关管S2为同步开关管。当变换器工作于buck工作模式时，开关管S2为主开关管，开关管S1为同步开关管。电感L2，电容Ca，二极管D1与D2以及开关管S3与S4共同构
4、成有源缓冲电路，为变换器实现软开关创造条件。二极管D3与D4为有源缓冲电路的电压钳位二极管。二极管DS1，DS2，DS3以及DS4分别为开关管S1，S2，S3以及S4的寄生二极管。CS1与CS2分别为开关管S1与S2的寄生电容。2 软开关双向直流变换器的工作原理如前所述，软开关双向直流变换器包括boost工作模式和buck工作模式，buck工作模式与boost工作模式有许多相似之处，但其能量的传输方向与boost工作模式相反。下面将针对buck工作模式进行详细叙述。buck工作模式在一个工作周期中可细分为8个工作阶段。在一个工作周期开始之前，即tt0时，开关管S2与S4处于导通状态，电感电流i
5、L1与iL2分别线性减小至各自的最小值-Im1与-IS2。2.1 工作阶段1当t = t0时，开关管S2关断。开关管寄生电容CS1开始放电，而CS2开始充电。开关管电压VS1线性下降，开关管电压VS2线性上升。工作阶段1的时间间隔Tt1的表达式为式中：Vhi为电机侧直流电压，Im1为电感电流iL1的最小值的绝对值，IS2为电感电流iL2的最小值的绝对值。2.2 工作阶段2当t = t1时，开关管电压VS2线性上升至电机侧直流电压Vhi，开关管电压VS1线性下降至零，开关管寄生二极管DS1导通。由于开关管电压VS1在开关管S1导通前降为零，因此开关管S1实现了零电压开关。电感电流iL1与iL2继
6、续线性上升，其表达式分别为2.7 工作阶段7当t = t6时，电感电流iL2下降为零，二极管D1关断。随后辅助开关管S3在零电流条件下关断。开关管电流iS2与电感电流-iL1相等。2.8 工作阶段8当t = t7时，辅助开关管S4导通。电感电流iL2线性下降，其表达式为开关管电流iS2为电感电流-iL1与-iL2的总和。在工作阶段8结束时，电感电流iL1降至其最小值 -Im1，电感电流iL2降至其最小值-IS2。3 零电压开关的实现条件当软开关双向直流变换器工作于buck工作模式时，主开关管S2实现零电压开关的条件分别为-Tdead - timeTDS2 .式中：IS1为电感电流iL2的最大值
7、的绝对值；Im2为电感电流iL1的最大值的绝对值； Tdead - time为死区时间；TDS2为开关管S2反偏时反向电流流过寄生二极管DS2的时间。由开关管电流iS2的最小值可求得时间TDS2，其表达式由于开关管S1在变换器buck工作模式下为同步开关管，开关管S1同样实现了零电压开关。可见，通过在变换器最大功率下设置时间参数ΔTS，即可实现开关管S1与S2在buck工作模式下的零电压开关。4 实验结果及分析笔者在理论分析的基础上，试制了一台功率为200 W的软开关双向直流变换器样机。其中，储能电池电压Vlo = 48 V，电机侧直流电压Vhi = 160 V，工作周期TS =
8、20 s，时间参数ΔTS = 0.42 s，电感L1 = 183 H，电感L2 = 6.7 H，电容Ca = 2 F。开关管S1与S2采用IRF640N，开关管S3与S4采用FDP150N，变换器控制电路芯片采用TMS320F28335。图2与图3为实验所得波形。在图2中，上方波形为开关管S1在buck工作模式下的漏源极电压波形，下方波形为开关管S1在buck工作模式下的栅源极电压波形。由图2可以看出，在开关管S1导通前，其两端电压已降为零，即开关管S1在buck工作模式下实现了零电压开关。在图3中，上方波形为开关管S2在buck工作模式下的漏源极电压波形，下方波形为开关管S2在b
9、uck工作模式下的栅源极电压波形。由图3可以看出，开关管S2也在buck工作模式下实现了零电压 开关。由于开关管S1与S2在buck工作模式下均实现了零电压开关，变换器的开关导通损耗大大减少，有效提高了变换器buck工作模式下的效率。为了进一步检验笔者提出的软开关双向直流变换器在buck工作模式下的效率性能，将其与传统双向直流变换器、传统软开关双向直流变换器进行效率方面的比较【4】。图4为buck工作模式下效率比较结果。在图4中，参与效率比较的变换器均工作于buck工作模式。当变换器处于轻载状态时，由于开关管的开关损耗较小，没有辅助电路的传统双向直流变换器的效率高。随着变换器负载的不断增加，能
10、够实现软开关的双向直流变换器表现出较高的效率性能，而变换器辅助电路的损耗则渐渐被忽略【5】。由于笔者提出的变换器采用有源缓冲电路，而有源缓冲电路仅在实现软开关时处于上电工作状态，开通时间很短，其导通损耗较传统软开关双向直流变换器更小，因此在重载情况下，笔者提出的变换器效率最优。5 结论笔者提出了一种带有源缓冲电路的软开关双向直流变换器，该变换器通过有源缓冲电路实现了变换器开关管在boost工作模式及buck工作模式下的软开关，极大地减少了变换器的开关损耗。通过与传统双向直流变换器及传统软开关双向直流变换器相比，笔者提出的软开关双向直流变换器在较大的负载范围内具有最优效率曲线，表现出良好的效率性
11、能。由于该变换器中的有源缓冲电路只有在实现开关管软开关时才处于上电工作状态，因此该电路的导通损耗很小，对变换器的效率影响不大，并且很好地解决了开关管寄生二极管的反向恢复问题，使变换器在具有较高效率的同时又能够稳定输出。参考文献：【1】 张乾,王卫国,刘克承.等.Buck DC/DC变换器在星载开关电源中的应用.电力电子技术,2012,46(1):46-48.【2】 王会山,陆原.一种大功率高频开关电源的研制.电源技术应用,2012,15(5):42-45.【3】 郑程鹏,石玉.基于MATLAB的DC/DC变换器设计与闭环仿真.磁性材料及器件,2011,23(8):63-66.【4】 王鹏.25 W DC/DC开关变换器的仿真与优化设计.西安:西安电子科技大学出版社,2009.【5】 Huang Jun, Wang Yue, Gao Yuan. On soft switching char-acteristics of dual active bridge converters applied in energy storage systems. Electric Drive, 2013(S1): 74-78.