一種新型的零電壓開關雙向DC-DC變換電源

引言

在許多場合下，需要有能將直流電源進行雙向變換的裝置，以燃料電池為能源的電動車驅動系統，就是一例。在該系統中，同時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動力，提供12～24V的低電壓電源。起動后，用燃料電池提供150～300V的車輛驅動電壓。因此，在電動車起動時，要求能將普通蓄電池輸出的12～24V直流電壓提升到150～300V，以起動系統開始工作。當系統進入正常工作后，用燃料電池的電能，對酸鉛蓄電池進行充電，以恢復電池的能量消耗。雙向DC-DC電源也可用于供電系統的直流操作電源中，供電系統的直流操作電源，通常用蓄電池作為后備電源，當使用雙向直流變換電源后，可有效地減少后備電池的數量。對雙向直流電源通常要求其具有高效、隔離、低輻射等特點，同時也要求電路結構簡單，易于控制。

圖1　DC-DC雙向變換電路結構圖

系統的結構及工作原理

雙向直流變換系統的結構如圖1所示，高頻變壓器T兩側的電源電壓不同，電源能量能進行雙向傳送。從電路結構看系統具有以下特點。

電路的特點

用變壓器作為隔離高、低壓側分別有既可整流又可逆變的變流裝置。用IGBT或MOSEFT管作為開關器件構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。為充分發揮電路的功能，在高頻變壓器的右側接入一個電感Lk，用作電壓提升。考慮到在保持功率平衡的條件下，需低壓側提供較大的電流，低壓側的電壓波動對高壓側電壓的穩定影響較大，因此在高壓側接入儲能電感，這樣控制輸出電壓的效果更好。正常情況下的能量流向是，從高壓側向低壓側方向，低壓側的蓄電池處于充電狀態，另外低壓側負載需要消耗一定的能量。當能量從低壓側向高壓側流動時，具有短時和大電流的特點，通常只在系統起動或故障狀態下出現。

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端反并聯了二極管，因此2個橋式電路均具有整流功能，逆變時需要對MOSEFT或IGBT管加觸發脈沖。

低壓向高壓傳送能量的過程

當能量從低壓向高壓方向傳送時，要求M1～M4處于逆變狀態，S1～S4處于提升狀態。設：gMi為開關器件Mi的門極控制電平。gSi為開關器件Si的門極控制電平，

則

對gMi，gSi施加圖3所示的控制脈沖，M1，M4導通構成變壓器T左側的正向電流；M2，M3導通構成變壓器左側的反向電流。為實現器件的零電壓開關在M1，M4和M2，M3換流過程中加入死區。對S1，S2不加觸發脈沖，對S3，S4加圖3所示的觸發脈沖起電壓提升作用。

圖3　能量從低壓向高壓流動時的門極控制脈沖