多重化软开关双向DC/DC变换器探究

　电动汽车在运行过程中，频繁地加速减速、起动制动，需要利用双向DC/DC变换器将电池的电压升高以获得稳定的直流母线电压。另外，在电动汽车制动时，需要通过双向DC/DC变换器将能量回馈到电池，使其效率提高。
　　参考文献［1］通过对比几种典型双向DC/DC变换器发现，在相同条件下半桥型双向DC/DC变换器电路元件所承受的电压电流应力较小。基本半桥型拓扑结构运用在大功率负载时，所需开关器件等级仍然较高、电感较大、体积庞大、能量密度较低。为了减小变换器体积，增大功率等级，参考文献［2-3］采用多重化半桥拓扑结构，降低了开关管功率等级，减小所用电感和电压电流纹波，但开关损耗问题仍有待解决。参考文献［4］采用一个震荡电感加二重双向DC/DC拓扑结构，运用软开关技术提高效率，但增加了一个电感元件和两个开关，导致成本增加。
　　为获得较高的功率密度，可将变换器设计在非连续导通模式（DCM），但其纹波较大，故采用多重化拓扑结构以弥补其缺陷，由此所需电感进一步减小［3］。另外，在DCM模式下，主开关关断的频率是其负载电流频率的两倍，开关的关断损耗增大，DCM模式使得变换器效率降低［5］。本文采用一种控制型软开关技术［6］，不需要额外增加半导体器件，通过合理控制实现软开关，从而减小了开关损耗，提高了变换器效率。
　　1 变换器拓扑结构及控制策略
　　1.1 变换器的拓扑结构及工作原理
　　本文采用的三重交错式双向DC/DC变换器由三个典型半桥式双向DC/DC拓扑结构交错并联而成，其拓扑结构如图1所示。
　　
　　三个基本半桥的导通时间依次互错1/3周期，且在每个周期导通时间相同，因此电感电流也依次互错1/3周期，从而减小总电流的纹波。
　　当正向运行，即升压运行时，下部开关Sd1、Sd2、Sd3处于斩波状态，为主开关，上部开关Su1、Su2、Su3与同臂下部开关互补，为辅助开关。当反向运行，即降压运行时，上部开关与下部开关主辅职能调换。
　　为了达到软开关目的，在实际运行中上下开关驱动信号加入的死区时间，利用电感电流恒流源作用，使上下开关各自并联的小电容能量在死区时间内得以交换，从而达到ZCS和ZVS。下面仅以单重半桥型双向DC/DC变换器拓扑加以说明。
　　图1中，iL1为电感L1的电流，规定如图1中方向为正方向；Co为滤波电容；FWDu1及FWDd1分别为开关Su1和Sd1反向并联的二极管；Cu1、Cd1为两开关并联的小电容。低压侧Vin由蓄电池或超级电容供电，高压侧Vo接电机等负载。当电机正向运行时，Sd1为斩波开关，Su1为辅助开关，能量由低压侧Vin流向高压侧Vo；当电机发生制动时，能量反向流动，上、下开关职能调换。现仅以boost工作模式加以说明。图2所示为升压模式下6个工作模态的关键波形。