一種新型的零電壓開(kāi)關(guān)雙向DC-DC變換電源

引言

在許多場(chǎng)合下，需要有能將直流電源進(jìn)行雙向變換的裝置，以燃料電池為能源的電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，就是一例。在該系統(tǒng)中，同時(shí)具有普通酸鉛蓄電池和燃料電池，普通酸鉛蓄電池作為車輛冷起動(dòng)動(dòng)力，提供12～24V的低電壓電源。起動(dòng)后，用燃料電池提供150～300V的車輛驅(qū)動(dòng)電壓。因此，在電動(dòng)車起動(dòng)時(shí)，要求能將普通蓄電池輸出的12～24V直流電壓提升到150～300V，以起動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)始工作。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入正常工作后，用燃料電池的電能，對(duì)酸鉛蓄電池進(jìn)行充電，以恢復(fù)電池的能量消耗。雙向DC-DC電源也可用于供電系統(tǒng)的直流操作電源中，供電系統(tǒng)的直流操作電源，通常用蓄電池作為后備電源，當(dāng)使用雙向直流變換電源后，可有效地減少后備電池的數(shù)量。對(duì)雙向直流電源通常要求其具有高效、隔離、低輻射等特點(diǎn)，同時(shí)也要求電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制。

圖1　DC-DC雙向變換電路結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

雙向直流變換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，高頻變壓器T兩側(cè)的電源電壓不同，電源能量能進(jìn)行雙向傳送。從電路結(jié)構(gòu)看系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

電路的特點(diǎn)

用變壓器作為隔離高、低壓側(cè)分別有既可整流又可逆變的變流裝置。用IGBT或MOSEFT管作為開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成橋式或半橋式整流逆變電路。若在圖1的整流逆變或逆變整流框中，用全橋電路代換之，則得到雙向DC-DC變換器主電路，如圖2所示。為充分發(fā)揮電路的功能，在高頻變壓器的右側(cè)接入一個(gè)電感Lk，用作電壓提升。考慮到在保持功率平衡的條件下，需低壓側(cè)提供較大的電流，低壓側(cè)的電壓波動(dòng)對(duì)高壓側(cè)電壓的穩(wěn)定影響較大，因此在高壓側(cè)接入儲(chǔ)能電感，這樣控制輸出電壓的效果更好。正常情況下的能量流向是，從高壓側(cè)向低壓側(cè)方向，低壓側(cè)的蓄電池處于充電狀態(tài)，另外低壓側(cè)負(fù)載需要消耗一定的能量。當(dāng)能量從低壓側(cè)向高壓側(cè)流動(dòng)時(shí)，具有短時(shí)和大電流的特點(diǎn)，通常只在系統(tǒng)起動(dòng)或故障狀態(tài)下出現(xiàn)。

圖2　DC-DC雙向變換主電路原理圖

電路的工作原理

由于在MOSEFT管的d,s端或IGBT管的c,e端反并聯(lián)了二極管，因此2個(gè)橋式電路均具有整流功能，逆變時(shí)需要對(duì)MOSEFT或IGBT管加觸發(fā)脈沖。

低壓向高壓傳送能量的過(guò)程

當(dāng)能量從低壓向高壓方向傳送時(shí)，要求M1～M4處于逆變狀態(tài)，S1～S4處于提升狀態(tài)。設(shè)：gMi為開(kāi)關(guān)器件Mi的門極控制電平。gSi為開(kāi)關(guān)器件Si的門極控制電平，

則

對(duì)gMi，gSi施加圖3所示的控制脈沖，M1，M4導(dǎo)通構(gòu)成變壓器T左側(cè)的正向電流；M2，M3導(dǎo)通構(gòu)成變壓器左側(cè)的反向電流。為實(shí)現(xiàn)器件的零電壓開(kāi)關(guān)在M1，M4和M2，M3換流過(guò)程中加入死區(qū)。對(duì)S1，S2不加觸發(fā)脈沖，對(duì)S3，S4加圖3所示的觸發(fā)脈沖起電壓提升作用。

圖3　能量從低壓向高壓流動(dòng)時(shí)的門極控制脈沖