车用双向半桥零电压开关变换器的研究

摘要

高功率密度双向DC-DC功率变换器能够高效率、灵活地实现对电能双向流动的控制，将广泛地应用在混合动力汽车、航天供电系统、新能源再生能源发电等系统中。但是双向DC-DC功率变换器要在电动汽车、航天等许多应用场合获得实际应用仍面临三大问题，即双向DC-DC功率变换器的功率密度、电磁兼容性和成本问题。软开关技术是解决功率密度和电磁兼容性的关键技术。谐振、准谐振或多谐振技术方案，变换器的电压电流应力较高。能量缓冲吸收电路或有源钳位电路方案，由于需要增加多个额外辅助元件，增加了变换器的复杂性。相移控制双向DC-DC功率变换器因具有功率器件电压，电流应力小，定频工作和无须增加辅助器件即可实现功率器件的零电压开关条件等优点而受到关注。 作者在查阅国内外大量双向DC-DC变换器资料的基础上，采用一种新型双向DC-DC变换器的拓扑结构。变换器由两个对称半桥组成,功率传输由相移脉宽调制方式控制。它可以不用辅助电路就可以实现开关的零电压通断，而且所用设备少、转换效率高和控制电路简单。此变换器主要用于混合动力汽车燃料电池的辅助启动，因为它需要一个双向DC-DC变换器来实现自身的冷启动和能量的反向回馈。该变换器把软开关技术和相移控制PWM技术以及双向DC-DC变换器技术有机结合在一起，有效地降低了电路的开关损耗和开关噪声，为变换器装置提高开关频率、效率以及降低尺寸及重量提供了良好的条件；同时，能拓宽零电压开关的范围，使变换器在较宽的负载变化范围内都能实现软开关。还保持了常规的硬开关全桥PWM双向DC-DC变换器中拓扑结构简洁、元器件的电压和电流应力小等一系列优点。 文中介绍了双向半桥零电压（ZVS）变换器的工作原理和不同时间段的等效电路图，以及给出了实现软开关的条件。并完成了控制电路的设计，仿真结果验证了电路结构和控制方法的正确性。进行了建模分析，为具体电路的闭环设计提供了理论依据。最后给出了电路仿真结果和实验结果。