一種車用雙電源系統(tǒng)中新型雙向DC-DC變流器研究*

房緒鵬　莊見偉　李輝　許玉林（山東科技大學(xué)，青島 266590）

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一種車用雙電源系統(tǒng)中新型雙向DC-DC變流器研究*

房緒鵬莊見偉李輝許玉林
（山東科技大學(xué)，青島 266590）

【摘要】為解決汽車雙電源供電系統(tǒng)中功率流向分配以及能量雙向饋送的問題，針對傳統(tǒng)非隔離雙向Buck-Boost變流器存在的不足，提出了一種新型雙向功率流DC-DC變流器，采用準(zhǔn)阻抗源網(wǎng)絡(luò)，提高了雙向直流變流器的功率轉(zhuǎn)換效率以及抗電磁干擾能力，分析了這種新型拓?fù)涞碾p向工作原理和過程。試驗結(jié)果表明，該變流器可實現(xiàn)能量的雙向流動，且每一功率流方向可升、降壓，電壓增益較高。此外，它還具有體積小、質(zhì)量輕、成本低的優(yōu)點，為降低電源造價以及減小車載空間提供了條件。

主題詞：雙電源供電系統(tǒng)雙向DC-DC變流器準(zhǔn)阻抗源網(wǎng)絡(luò)能量雙向流動

1　引言

隨著汽車電氣化和電子技術(shù)的迅速發(fā)展，汽車電子設(shè)備的應(yīng)用對電源容量的需求日益增長，作為過渡階段的42 V/14 V雙電源供電系統(tǒng)已經(jīng)成為國內(nèi)外汽車領(lǐng)域近期的研發(fā)熱點［1］。隨著42 V/14 V供電技術(shù)的不斷發(fā)展，雙電源供電系統(tǒng)的研發(fā)顯示出越來越關(guān)鍵的地位，同時，也會逐步推動高壓電源在汽車電氣系統(tǒng)上的推廣和應(yīng)用［2］。

近年來，雙向功率流DC-DC變流器逐漸成為功率變換技術(shù)的研究熱點之一，在汽車42 V/14 V雙電源供電系統(tǒng)中可以作為能量交換的橋梁實現(xiàn)功率流的管理和分配［3］，而傳統(tǒng)的42 V/14 V雙電源供電系統(tǒng)以非隔離型雙向Buck-Boost直流變流器為基礎(chǔ)，其雖結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，但輸出反極性電壓且紋波較大，蓄電池兩端易產(chǎn)生脈動干擾，影響蓄電池壽命，并且其轉(zhuǎn)換效率低、可靠性差等缺陷也制約了車載電源系統(tǒng)的發(fā)展［4］。為了提高42 V/14 V雙電源供電系統(tǒng)的性能和功率轉(zhuǎn)換效率，本文提出了一種新型非隔離雙向功率流準(zhǔn)阻抗源DC-DC變流器，相比傳統(tǒng)的雙向變流器，這種新型電路拓?fù)溆捎谠O(shè)置了獨(dú)特的準(zhǔn)阻抗源網(wǎng)絡(luò)，電路具有很高的可靠性，可以保持電感、電流連續(xù)，避免雙向電力電子開關(guān)器件共態(tài)導(dǎo)通或共態(tài)關(guān)斷時損壞電力電子器件［5］。此外，它還具有變壓精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、開關(guān)電壓應(yīng)力較小的優(yōu)勢，克服了傳統(tǒng)雙向DC-DC變流器的缺陷，為直流變換器的發(fā)展作了理論和實際鋪墊［6］。

2　汽車42 V/14 V雙電源供電系統(tǒng)

汽車42 V/14 V雙電源供電系統(tǒng)的基本組成部分為ISA模塊和雙向功率流DC-DC變流器，如圖1所示。ISA模塊由起動機(jī)/發(fā)電機(jī)和整流逆變功率轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，汽車發(fā)動后，發(fā)電機(jī)發(fā)出42 V交流電，經(jīng)整流功率變換器變?yōu)?2 V直流電向42 V負(fù)載供電并為36 V蓄電池充電，同時經(jīng)雙向功率流準(zhǔn)Z源DC-DC變流器降壓為14 V直流電，向14 V直流負(fù)載供電并為12 V蓄電池充電［7］。

圖1　汽車42 V/14 V雙電源供電系統(tǒng)

3　雙電源供電系統(tǒng)的新型雙向準(zhǔn)Z源DC-DC變流器

在汽車雙電源供電系統(tǒng)中，融入本文提出的新型雙向功率流準(zhǔn)Z源DC-DC變流器，在輸入直流電源和負(fù)載之間采用準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)連接，其主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)包含由2個電感（L1和L2）和2個電容器（C1和C2）以及雙向電力電子開關(guān)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。U42為汽車起動機(jī)/發(fā)電機(jī)經(jīng)整流器產(chǎn)生的直流電壓，R42為42 V用電負(fù)載，高壓側(cè)蓄電池額定電壓為36 V，電容器C42具有維持輸入電壓穩(wěn)定的作用，U14為經(jīng)雙向DC-DC變流器轉(zhuǎn)換后的低壓側(cè)直流電源，低壓側(cè)蓄電池電壓為12 V，R14為14 V用電負(fù)載，C14為低壓側(cè)電容，具有濾波的作用［7］。

雙向功率流DC-DC變流器在汽車雙電壓供電系統(tǒng)中有著非常關(guān)鍵的作用，它不僅可以把42 V直流電降壓為14 V直流電向低壓側(cè)供電，而且當(dāng)高壓側(cè)能量不足或出現(xiàn)故障時，低壓側(cè)蓄電池還能經(jīng)雙向DC-DC變流器向高壓側(cè)提供能量，通過控制導(dǎo)通占空比的大小，即可得到高壓側(cè)適用的直流電壓。

圖2　雙電源供電系統(tǒng)雙向準(zhǔn)Z源DC-DC變流器主電路拓?fù)?/p>

4　雙向功率流準(zhǔn)Z源DC-DC變流器拓?fù)涔ぷ髂Ｊ?/h2>

4.1正向工作模式

電感L1和L2具有相等的電感量，電容器C1和C2具有相等的電容量，故準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)對稱，由電路的對稱性和等效性可知［8］：

式中，UL1、UL2、UC1、UC2分別為開關(guān)V1導(dǎo)通時電感L1、L2和電容器C1、C2兩端電壓；U′L1、U′L2、U′C1、U′C2分別為開關(guān)V2導(dǎo)通時電感L1、L2和電容器C1、C2兩端電壓。

當(dāng)功率流正向傳輸時，2個MOSFET開關(guān)器件V1和V2采取互補(bǔ)導(dǎo)通方式，其等效電路如圖3a。在1個開關(guān)周期T內(nèi)，開關(guān)V1導(dǎo)通的時間為t1=DT，式中D為占空比。假設(shè)電容器C1和C2的電流參考方向向上，則

式中，Ui為輸入電壓；UL為電感L兩端電壓。

在1個周期T內(nèi)，開關(guān)V2導(dǎo)通的時間為t2=（1-D）T，其等效電路如圖3b，則

式中，Uo為輸出電壓。

根據(jù)穩(wěn)態(tài)電感磁通守恒定律，1個電源周期t2內(nèi)，電感L兩端電壓UL對時間的積分為0，則

將式（1）～式（3）帶入式（4），得

圖3　功率正向等效電路

4.2反向工作模式

當(dāng)功率流反向傳輸時，V1和V2采取互補(bǔ)導(dǎo)通方式，其等效電路如圖4a。在1個開關(guān)周期T內(nèi)，開關(guān)V1導(dǎo)通的時間為t1=DT，則

在1個周期T內(nèi)，開關(guān)V2導(dǎo)通的時間為t2=（1-D）T，其等效電路如圖4b，則

圖4　功率反向等效電路

根據(jù)穩(wěn)態(tài)電感磁通守恒定律，1個電源周期t2內(nèi)，電感L兩端電壓UL對時間的積分為0，則

將式（1）、式（6）、式（7）帶入式（8），得

綜上所述，對于本文所提出的雙向功率流準(zhǔn)Z源DC-DC變流器拓?fù)?，根?jù)電流方向切換其工作模式即可實現(xiàn)能量的雙向流動，通過改變占空比可得到任意輸出電壓。

5　電壓增益關(guān)系式驗證

根據(jù)雙向準(zhǔn)Z源DC-DC變流器的功率正向和反向的電壓增益公式，利用Matlab/Figure繪制了輸入電壓、導(dǎo)通占空比以及輸出電壓的三維曲線，如圖5所示。圖5a為功率正向降壓工作模式，輸出電壓隨著占空比的減小而減小，取D=0.399 4、Ui=41.82 V，可得Uo= 14.01 V；圖5b為功率反向升壓工作模式，輸出電壓隨著占空比的增大而增大，取D=0.399 4、Ui=14.04 V，可得Uo=41.91 V。由圖5可知，本文提出的雙向DC-DC變流器因具有較寬范圍的輸入電壓而可以保證輸出電壓的穩(wěn)定性，只需設(shè)定導(dǎo)通占空比D=0.4左右，就可以完成汽車42 V/14 V雙電源供電系統(tǒng)中電壓的相互轉(zhuǎn)換，既能夠充分利用功率器件，又可保證器件不致過度發(fā)熱，提高了電路的可實現(xiàn)性和穩(wěn)定性。本文采用SG3525PWM控制器，占空比調(diào)節(jié)范圍為0～0.5，并可精確到0.001左右，以電壓14 V轉(zhuǎn)42 V為例，輸出電壓可控制在41.65～42.35 V，在實際應(yīng)用誤差范圍內(nèi)。

圖5　雙向準(zhǔn)Z源DC-DC變流器電壓增益三維曲線

6　與傳統(tǒng)非隔離型雙向Buck-Boost的性能對比

6.1電壓增益對比

根據(jù)傳統(tǒng)非隔離型雙向Buck-Boost直流變換器的電壓增益公式以及雙向準(zhǔn)Z源DC-DC變流器的電壓增益公式，利用Matlab/Figure軟件繪制了電路拓?fù)潆妷涸鲆媾c導(dǎo)通占空比曲線，如圖6所示。在0＜D＜0.5條件下，雙向準(zhǔn)Z源DC-DC變流器正向QZC為降壓階段，反向QZC為升壓階段，反向QZC理論上可以實現(xiàn)無限高的輸出電壓，且在同樣占空比條件下雙向準(zhǔn)Z源直流變流器的輸出電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正向Buck-Boost變換器，這樣系統(tǒng)可以獲得較高的電壓而開關(guān)導(dǎo)通時間較短，有利于功率開關(guān)器件的散熱，提高了系統(tǒng)的工作效率［9］。

圖6　電壓增益與占空比的關(guān)系

6.2開關(guān)電壓應(yīng)力的對比

對具有同樣的輸入、輸出電壓、負(fù)載、開關(guān)頻率的2種不同的電路拓?fù)?，功率開關(guān)器件承受的電壓應(yīng)力也有所不同［9］。假設(shè)雙向準(zhǔn)Z源DC-DC變流器和傳統(tǒng)非隔離型雙向Buck-Boost變換器的輸入電壓均為Ui，輸出電壓均為Uo，且令傳統(tǒng)非隔離型雙向Buck-Boost變換器主開關(guān)器件的占空比分別為D1和D2，通過計算即可得到拓?fù)涔β书_關(guān)的電壓應(yīng)力以及開關(guān)導(dǎo)通比，如表2所示。

表2　拓?fù)溟_關(guān)電壓應(yīng)力對比

由表2知，當(dāng)2個電路拓?fù)涔ぷ髟诠β收驙顟B(tài)時，由于正向Buck-Boost變換器的輸出電壓與電源電壓極性相反，所以本文所提出的雙向準(zhǔn)Z源直流變流器在正向QZC工作狀態(tài)時，主功率開關(guān)V1具有較小的開關(guān)電壓應(yīng)力。此外，由于本文所提出的新型直流變流器設(shè)置了獨(dú)特的準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)，電路具有較高的可靠性，可以保持電感電流連續(xù)工作模式，同時可避免雙向電力電子開關(guān)器件共態(tài)導(dǎo)通或共態(tài)關(guān)斷時損壞電力電子器件。

7　試驗樣機(jī)結(jié)果驗證

為了驗證理論分析的正確性，構(gòu)建了試驗樣機(jī)電路模型，對本文的雙向功率流準(zhǔn)阻抗源DC-DC變流器在電感電流連續(xù)模式下進(jìn)行了開環(huán)試驗驗證。因42 V/14 V汽車雙電源供電系統(tǒng)中開關(guān)電壓等級為30～100 V，為滿足開關(guān)器件的耐壓參數(shù)以及減少開關(guān)器件的功率損耗，選擇型號為FQA38N30的MOSFET開關(guān)器件。試驗樣機(jī)電路采用PWM的控制策略，通過控制器SG3525產(chǎn)生2路互補(bǔ)的PWM控制信號，分別控制V1、V2的開通與關(guān)斷，其他參數(shù)如表3所示。

表3　雙向準(zhǔn)Z源DC-DC變流器試驗參數(shù)

功率正向流動時，交流電經(jīng)整流橋KBPC5010后接穩(wěn)壓電容C42，得到輸入直流電壓Ui=41.7 V，通過調(diào)節(jié)控制器SG3525使占空比D≈0.4，即得到汽車14 V電壓，測得的試驗電壓波形如圖7所示。

功率反向流動時，輸入直流電壓Ui=14.1 V，只需保持占空比D≈0.4不變，即可得到42 V輸出電壓，測得試驗波形如圖8所示。

圖7　42 V轉(zhuǎn)14 V試驗電壓波形

圖8　14 V轉(zhuǎn)42 V試驗電壓波形

由圖7a和圖8a結(jié)果可知，本文提出的新型雙向DC-DC變流器可完成汽車雙電源42 V與14 V電壓的相互轉(zhuǎn)換，且輸出電壓與理論值相差不大。圖7b、圖7c和圖8b、圖8c中雙向開關(guān)器件的壓降都在70 V左右，符合MOSFET開關(guān)器件的耐壓范圍。由于受開關(guān)內(nèi)阻等因素的影響，輸出電壓結(jié)果與理論值存在一定的差異，但試驗與理論結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)，不影響系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

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9王利民，錢照明，彭方正.Z源直流變換器.電氣應(yīng)用，2005，24（2）：123～124，49.

（責(zé)任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2016年5月6日。

中圖分類號：U463；TM46

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-3703（2016）07-0012-05

*基金項目：山東科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項目（YC140337）。

Research on a Novel Bi-directional DC-DC Converter for Vehicle Double-power Supply System

Fang Xupeng，Zhuang Jianwei，Li Hui，Xu Yulin
（Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590）

【Abstract】To solve the problem of power flow distribution and energy bi-directional feed in the vehicle doublepower supply system，and eliminate the defect of traditional non-isolated bidirectional Buck-Boost converter，the paper proposes a novel bidirectional power flow DC-DC converter with unique quasi-Z-Source network that can improve the power conversion efficiency and the ability of resistance to electromagnetic interference of bidirectional DC-DC converter and analyzes the bidirectional working principle and process of this novel topology.The experimental results show that the novel bidirectional DC-DC converter can not only realize the bidirectional power flow，but also its each power flow direction possesses the function of buck-boost and its voltage gain is higher.In addition，this new type DC-DC converter has advantages of small volume，light weight，low cost and provide conditions for reducing the power cost and the automobile space.

Key words:Double-power supply system，Bidirectional DC-DC converter，Quasi-Z-source network，Bidirectional power flow