超级电容互补PWM驱动模式下软开关的实现

本文讨论了超级电容的充放电特性及双向DC/DC变换器的拓扑结构，采用了非隔离双向DC/DC变换器作为储能系统的主拓扑，分析了互补PWM驱动模式下软开关的实现。本文也对超级电容的充电策略进行了陈述，建立了双向DC/DC变换器的小信号模型，最后搭建了MATLAB/Simulink仿真平台，给出仿真结果和实验结果验证了理论分析的可行性。

1. 前言

随着经济的飞速发展，社会对节能环保的要求不断增高，双向变换器（BDCs）作为转换能量的直流变换技术，成为越来越多国内外学者的研究对象，特别是在能量存储系统等相关领域中得到了关注和研究，广泛的应用在电梯［1］，城市轨道交通系统［2］，混合动力车［3］，燃料电池储能［5］，以及新能源［5］等领域。在储能系统中双向DC/DC变换器的存在既能降低系统的成本，同时也能够提高整个系统的工作效率。图1为基于超级电容的双向变换器在储能系统中的应用框图，其中虚线框内为超级电容模组示意图。在交流负载（电机）启动或者加速过程中，需要变换器提供一定的瞬时峰值功率，为了减少对电网的冲击，这部分能量由超级电容通过双向变换器提供给交流负载，而当交流负载制动减速时，负载回馈的能量经过双向变换器存储在超级电容中，达到节能环保的目的。

超级电容作为新型的能量存储元件，是20世纪60年代后期问世的一种新型储能元件，近些年来倍受关注。由于带有双向直流变换器的超级电容储能系统能够对短时的能量冲击起到缓冲作用，在很多领域都有所应用。超级电容器（Ultra-capacitor）也叫双电层电容器（EDLCs），同时也有黄金电容、法拉电容的称号，采用了金属氧化物作为电极，利用电极与电解液中极性相反的离子相互吸引形成双电层电容来存储能量，故其充放电过程中不参与化学反应。其内部结构如图2所示。

法拉电容（Ultra-capacitor）作为新型储能元件，与普通的蓄电池及电解电容相比有诸多的优点，其中最主要的就是超级电容具有较高的功率密度和能量密度，与蓄电池相比，超级电容具有较高的功率密度，与电解电容相比，超级电容具有较高的能量密度，所以超级电容的存在能够弥补蓄电池与普通电解电容的不足之处，这也决定了超级电容作为新型的储能元件在储能系统中的广阔的应用前景。除了以上优点，超级电容的主要优点包括充放电寿命长，免维护，充放电速度快，储能效率高，环境友好等［6］。

2. 双向变换器拓扑结构及软开关的实现

由于非隔离变换器具有结构简单，效率高的优点，本文所选择的变换器为非隔离式双向DC/DC变换器拓扑，其电路结构如图3所示，其基本原理为：当开关管S1作为主控管时，能量由高压侧流向低压侧，此时双向变换器工作于Buck方式，相反当开关管S2作为主控管时，双向变换器工作于Boost方式，从而实现了能量的双向流动。

半桥电路的驱动方式主要包括独立式PWM驱动与统一PWM驱动方式，与独立式PWM驱动方式相比，统一PWM驱动方式始终保持半桥电路上下两桥臂的驱动信号互补，通过控制电感电流方向控制能量的流向，切换双向DC/DC变换器的工作状态，不需要相应的切换电路，控制容易，能够实现双向DC/DC变换器的双向工作的统一控制，且能够实现开关管的零电压开通。其中开关管实现软开关需要满足电感电流过，互补PWM驱动方式能够保证电感电流过零，避免了普通DCM模式下主电感与输出电容之间的谐振产生的振铃现象。图4为驱动信号与电感电流的波形示意图。

首先，当在t1-t2时间段内上管门极信号使能，S1导通，S2关断，电感电流线性上升，t2-t3时间段内，此时间段被驱动信号死区时间内，上下桥臂开关管均没有驱动信号，此时电感电流使开关管寄生电容C1充电，C2放电，C1的充电减缓了开关管S1两端电压的上升，从而减少了关断损耗。当C2完全放电时，此时Vce2为0，此时电流电流会通过D2构成回路，当驱动信号来临时，开关管S2工作在零电压状态。t3-t5时间段内在超级电容电压作用下，电感电流线性下降直到过零，过零后开关管S2导通，则D2在关断在零电压条件下，反向恢复损耗为零，同时避免了振铃现象。当S2关断信号来临时，即进入死区时间内，同上，C2充电，C1放电，当完全充放电完成时，电感电流流过D1，此时开关管S1工作在零电压开通条件下，同时也减少了S2的开关损耗。以上为电路工作在buck状态下的分析，对于boost同样适用，上下管工作在零电压开通条件下，并使二极管D1的反向恢复损耗为零，寄生振铃现象得到抑制。从而实现了ZVRT。

3. 双向变换器模型建立及控制器设计

由于双向DC/DC变换器中存在开关器件（IGBT）和二极管这样的非线性器件，为非线性系统，但是在系统稳态的情况下，系统小信号扰动之间存在线性关系，因此，非线性系统可以通过系统的小信号模型的线性关系来近似等效，为分析系统的稳定性及动态特性［7］。

a） Buck方式下的模型

双向变换器工作于buck方式下时的电路图如5所示，其中LR为电感等效内阻，csR、cpR分别为超级电容的等效串联电阻与等效并联电阻。

为了保证对超级电容（capacitorUltra−）充放电进行有效的控制，双向DC/DC变换器必须进行闭环控制，而环路的设计直接影响到变换器系统的稳定性和动态响应速度，因此控制器的设计对于一个系统而言非常重要，使得超级电容的充放电能够随着系统中的状态改变而实时的改变。图7为双向变换器工作于BUCK方式下的电流单环闭环控制方框图，其中包括控制器传递函数）（_sCbucki，控制器延时传递函数）（sD，电感电流对占空比的传递函数）（_sCbuckid，模拟滤波传递函数）（sRC以及采样比例系数K/1。其中）（_sCbucki的表达式如下：

对于电压外环的控制器参数为：5.0=pK，8=iK，补偿后的电压外环的开环频率特性如图11所示，计算出对应的相角裕度γ为46.7deg， 幅值裕度为126dB，系统电压外环稳定。

4. 仿真分析及实验

本文基于以上分析搭建了双向DC/DC变换器的MATLAB/Simulink仿真平台，以及实验平台，对前几章的分析进行理论及实验上的验证。主要参数高压侧（VH）电压540V，低压侧超级电容电压100-300V，功率1KW-3KW，开关频率5K，BUCK/BOOST主电感（L）为780μH，高压侧滤波电容（CH）为790μF，高压侧电阻负载147Ω，超级电容容量为13.3F。Buck方式下采用恒流充电控制方式，充电电流的平均值为5A-15A，Boost方式下采用电压电流双闭环控制，保持高压侧电压540V稳定。对双向变换器的工作特性进行了仿真分析，分别测试了Buck方式与Boost方式下的电流及电压响应，对双向变换器的工作进行了实验测试分析系统的软开关特性，实现了超级电容的恒流充放电。

图12为双向变换器工作于Buck方式下超级电容恒流充电电压波形，其中充电电流平均值为10A，超级电容的初始电压为100V，充电时间约7s，可以看出超级电容电压有很好的线性度。

图13为对应该模型的Buck方式与Boost方式切换的超级电容端电压及电感电流仿真波形图。切换工作方式前，双向变换器工作在Buck方式下，对超级电容恒流充电，充电电流为10A，在2s时切换为Boost工作方式，输出电压为540V，如图可以看出，放电平均电流约为15A。

图14为电感电流断续模式下开关管实现零电压开通的波形图，可以看出在IGBT两端电压CEU下降为零之后，开关管才有驱动信号，保证了IGBT的零电压开通，实现了ZVRT。

图15为双向DC/DC变换器工作于Buck方式下的超级电容恒流充电波形图，可以看出超级电容初试电压为15V，控制充电电流为7A，充电时间为60s，可以看出超级电容的电压有较好的线性度。

5. 结论

本文提出了电感电流在互补导通模式下软开关的实现，建立了双向变换器的小信号平均模型，设计了对应数字控制器，使双向变换器具有较好的动态特性及稳定性。搭建了Matlab/Simulink仿真平台，对双向变换的充放电进行了验证，给出了超级电容的恒流充电及软开关实现的实验波形，验证了理论分析的正确性。

参考文献

［1］ A. Kulkarni， H. Nguyen， and E. Gaudet. A comparative evaluation of line regenerative and non-regenerative vector controlled drives for AC gearless elevators. presented at the IEEE-IAS Annu. Meeting， 2000，

vol.3:1431-1437.

［2］ R. Barrero， J. Van Mierlo， X. Tackoen. Energy savings in public transport. IEEE Vehicular Technology Magazine， 2008， 3（3）：26-36.

［3］ Gengo T. et al. Development of Grid-stabilization Power-storage System with Lithium-ion Secondary Battery. Mitsubishi Heavy Industries Technical Review， 2009， 46（2）：36-42.

［4］ 朱选材，燃料电池发电系统功率变换及能量管理［D］。 杭州：浙江大学学位论文，2009.8.

［5］ J.-S. Lai and D. J. Nelson. Energy management power converters in hybrid electric and fuel cell vehicles. in Proc. IEEE Ind. Electron.， Taipei， Taiwan， 2007， 95（4）：766 – 777.

［6］ 王善垒。电梯系统中超级电容储能的研究［D］。杭州：浙江大学硕士学位论文，2008:8-10.

［7］ 徐德鸿。电力电子系统建模及控制［M］。机械工业出版社，2006：6-20.

作者简介

佟德军：男，1986 年生，硕士研究生，研究方为照明电源技术