第５０卷第４期 ２０１６年４月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．５０，Ｎｏ．４ Ａｐｒ．２０１６ 基于软开关Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ变换器的双向控制研究 蒋香华，肖 岚，高雨翔，王 勤 （江苏省新能源发电与电能变换重点实验室，南京航空航天大学，江苏南京２１００１６） 摘要：基于双向Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ变换器提出带辅助电感的交错并联式Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ变换器。可实现开关管的软开关及 续流二极管的自然关断，减小开关损耗；交错并联的结构可减小电流纹波，提高输出功率。详细分析了其双向 工作原理及软开关实现条件，同时针对开关管采用变压器隔离型驱动电路时带主电关驱动会引起开关管误导 通的问题，分析误导通的产生原因并提出软退出的解决办法。最后搭建了一台５００ Ｗ的双向Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ原理 样机，实现了对锂电池的恒流／恒压充电和恒流放电，以及充放电平滑切换。仿真与实验验证了设计的合理性。 关键词：变换器；双向控制；软开关 中图分类号：ＴＭ４６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１６）０４—００３１—０５ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ａｎ Ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ Ｓ０ｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｂｕｃ ，Ｂｏｏｓｔ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｗｉｔｈ ａｎ Ａｕｘｉｌｉａｒｙ Ｉｎｄｕｃｔｏｒ ＪＩＡＮＧ Ｘｉａｎｇ—ｈｕａ，ＸＩＡＯ Ｌａｎ，ＧＡＯ Ｙｕ－ｘｉａｎｇ，ＷＡＮＧ Ｑｉｎ （Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｎｅｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ｇｅｎｅｒｔａｉｏｎ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｓｏｎ，ｉ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｗｅ￣ｉｔｙ ｆＡｅｒｏｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａｎ ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｉｎｄｕｃｔｏｒ ｗｈｉｃｈ ｃａｌｌ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｄｉｏｄｅ ｓｈｕｔ ｏｆｆ ｎａｔｕｒａｌｌｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｉｓ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｌｏｓｓ ｉｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．ｈｅ ｗａｙ ｏｆ ｉｎｔｅｒｌＴｅａｖｉｎｇ ｃｏｕｌｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｉｐｐｌｅ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｉｔｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｆｔ—ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈ ｗｈｉｃｈ ｄｒｉｖｅｎ ｂｙ ｔｒａｎｓ－ ｆｏｒｍｅｒ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｔｕｒｎｅｄ ｏｎ ｍｉｓｔａｋｅｎｌｙ ｗｈｅｎ ｓｈｕｔｔｉｎｇ ｏｆｆ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅｒ ｗｉｔｈ ｍａｉｎ ｐｏｗｅｒ．Ｔｏ ｒｅｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｉｓ— ｓｕｅ，ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎ ｗｈｙ ｍｉｓｔａｋｅｎｌｙ ｔｕｒｎｅｄ ｏｎ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ ａ ５００ Ｗ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｉｎｇ ａｎｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ ｆｏｒ ｌｉｔｈｉｕｍ ｂａｋｅｒｙ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｍｏｏｔｈ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ａｒｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｓ ｖｅｒｉｔｆｙ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｂｉｄｉｅｃｔｉｒｏｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ １ 引 言 近年来具有能量双向流动的ＤＣ／ＤＣ变换器 已成为目前ＤＣ／ＤＣ变换器的研究热点，常用于不 同直流母线间的功率传输、蓄电池充放电管理等。 其中双向Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ变换器因具有开关器件较 （ｚｃｓ）和零电压关断（ＺＶＳ），改善了续流二极管的 反向恢复问题。分析了该电路双向工作原理及软 开关实现条件．在此基础上研究对锂电池的充放 电与充放电平滑切换的数字控制技术，最后搭建 了一台带辅助电感的交错并联Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ变换器 原理样机，验证了理论分析的正确性。 少、无需隔离、电路结构相对简单、能量传输效率 较高等优点。被广泛用于低压大电流的工作场合。 双向Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ变换器分别工作在Ｂｕｃｋ和 Ｂｏｏｓｔ模式时，主开关管均为硬开关模式，若开关 管为ＭＯＳＦＥＴ。则还存在体二极管的反向恢复问 题，因此对其软开关技术的研究尤为关键 。 ２ 电路工作原理及特性分析 ２．１带辅助电感的交错并联Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ变换器 图１示出带辅助电感 的交错并联双向 Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ电路，功率开关管Ｖ１，Ｖ３与电感 １构 成一个双向Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ单元，功率开关管Ｖ２，ｖ４ 与电感 ：构成另一个双向Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ单元（Ｖ３，Ｖ 称为上管，Ｖ。，Ｖ：称为下管）。ｕ。， 为高、低压侧 电压，ｃＨ， 为滤波电容，电压电流参考方向如图 所示。假设器件理想，滤波电容足够大，可忽略输 出电压纹波和所有功率器件的导通压降，设 ，和 的电流连续且电路已达稳态运行。 ３１ 在此提出一种基于交错并联结构的双向 Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ电路，加入了简单的辅助电感，在实现 大电流输出的同时。实现了开关管的零电流开通 定稿日期：２０１５—１０—０８ 作者简介：蒋香华（１９９２一），女，江苏镇江人，硕士研究生， 研究方向为电动汽车的充放电控制。 第５０卷第４期 ２０ｌ６年４月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．５０．Ｎｏ．４ Ａｐｒ．２０１６ 由于Ｖ ，Ｖ 的导通时序正好相差半个周期且 占空比相同，后４个工作模态（ｔ４￣ｔ ）与前４个（ｔｏ～ ｔ ）完全对称，这里不再赘述［８１。 ２．２．２ 情形２ 图１ 交错并联Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ变换器拓扑 Ｆｉｇ．１ Ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ 情形２的前３个工作模态都与情形１类似， 但模态４有所区别。 模态４（ｔ３～ｔ４）ｔ３时刻，Ｖ。软关断。此时ｉｂ反 ２．２锂电池放电时工作模态分析 锂电池放电时，电路工作于Ｂｏｏｓｔ模式，图２ 示出电路中关键状态量在一个开关周期 的工作 波形，可分为８个阶段，ｕ ，ｕ 为Ｖ。，Ｖ：的驱动 向上升后依然比 小，即ＶＤｗ上依然有电流，因 而此后ＶＤ，，ＶＤ 同时导通。ｉｎ继续减小，但由于 加在Ｌ 上的电压为零，ｉ厶保持不变。直至ｔ 时刻 电压，ｉ ｉ ，ｉｌ，为厶， ２和 。的电流，Ｄ 为Ｖ ，Ｖ２ 的占空比。根据上管的反并二极管自然关断时刻 的不同，工作模态可分为两种情形，对应为图２ａ， ｂ。在Ｖ。开通期间，当ｉ 减小至与ｉ厶相同时会出 现情形１。此时上管的反并二极管是在另一路下 管导通期间实现自然关断的；若在Ｖ 开通期间， 不能减小至ｉ厶，则出现情形２：上管的反并二极 管需在两路下管都关断期间实现自然关断。 ‘－－——————一１··—－——－－叶ｌ ｌ● ’—‘一Ｊ ’。。。。。。。。＿ｈ 圆 卫广 圆 广 ＿１ ｉ ｊ ； ］：：： ．＿１ ｒ ｊ ｊ０ 一ｒ ～ ； ； １、＋ ＿： 一一 ／ ｒ ：：：：： 一一 ： ｔ ｔｏ ｔｌｔ２ｔ３ ｔ５ｔ６ｔ７ｔ８ ｔ９ ｔｏｔｌｔ２ ｔ３ｔ４ｔ５ｆ６ ｔ７ｆ８ｔ９ （ａ）情形Ｉ （ｂ）情形２ 图２锂电池放电工作时电路主要波形 Ｆｉｇ．２ Ｍａｉｎ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｗａｖｅ￣ｏｎＴＩＳ ｏｆ ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ ２．２．１ 情形１ 模态１（ｔ。～ｔ ）ｔｏ时刻，Ｖ：关断，由于电感电 流不能突变， 流向ＶＤⅥ，Ｌ。与 串联，其电流也 经ＶＤｗ流向负载侧。进行能量传递。由于输出端 电压高于输入端，所有电感电流均线性减小。 模态２（ｔ。～ ２）ｔ１时刻，Ｖ１开通，因为此刻ｉＬｌ＝ ｉ厶，且电感电流不能突变，所以Ｖ。的电流从零开 始增加，实现ＺＣＳ。ｉＬ。在输入电压作用下线性上 升， 在输出电压作用下线性下降。 模态３（ｔ２￣ｔ。）ｔ：时刻， 下降为零，ＶＤⅥ仍 导通，在输出电压作用下， 反向线性增加，ｉ 从 完全流经ＶＤｗ开始逐渐部分转移至流经Ｌ。，ＶＤⅥ 中电流开始减小。 模态４（ｔ３～ｔ４）ｔ３时刻， 反向上升至 也，ＶＤｖ４ 自然关断，没有反向恢复问题。之后， ：与 。串联 与ｖ 及输入源构成回路，电感电流线性上升，直 至ｔ 时刻Ｖ。关断。由于Ｖ 的结电容Ｃ 的存在， ｖ 两端电压由零缓慢上升，实现软关断。 ３２ ｉ位下降至与 相等，ＶＤ 自然关断。 后４个工作模态（ｔ４－ｔ ）与前４个（ｔ０－ｔ４）完全 对称，这里不再赘述。 ２．３锂电池充电时工作模态分析 锂电池充电时。电路工作于Ｂｕｃｋ模式．图３ 示出电路中关键状态量在一个 的工作波形，可 分为８个阶段，ｕ ， 是两个上管Ｖ ，Ｖ 的驱动 电压，Ｄ为Ｖ ，Ｖ 的占空比。 ————一』—————。。１ Ｕｇｓ 广——１＿］～广１一 卜 “ｇ —］—］ ｌ广十 １ ０ ｉ ｉ Ｊ Ｉ： Ｉ Ｉ Ｉ ‘： —ｔ— ｉ— 杆— Ｉ Ｉ— 、：：： ：／＿ ｏｔ ｌｌ１２１３ｔ４ ｔ５ｔ６ｔ７１８ Ｉ９ 图３锂电池充电工作时电路主要波形 Ｆｉｇ．３ Ｍａｉｎ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ｏｆ ｃｈａｒｇｉｎｇ 模态１（ｔｏ－ｔ ）ｔ。时刻前， 与Ｌ 串联。ｔ。时 刻，Ｖ 开通，因为 ＝ ，且电感电流不能突变，所 以Ｖ 的电流从零开始增加，实现ＺＣＳ。ｉ 位在输 入与输出电压差的作用下线性增加。 。两端电压 相等， 保持不变。 模态２（ｔｌ￣ｔ２）ｔ。时刻，Ｖ 关断，由于Ｖ 的结 电容Ｃｗ的存在，Ｖ 两端电压由零缓慢上升，实现 软关断。ＶＤ 导通，为 提供续流回路。ｉ厶在输入 电压作用下反向线性减小。 模态３（ｔ２￣ｔ３）ｔ２时刻，ｉ厶下降为零，由于 ＶＤ 仍然导通， 在输入电压作用下线性增加， ＶＤｗ中电流逐渐减小。 模态４（ｔ３￣ｔ４）ｔ３时刻，ｉ厶上升至与 相同， ＶＤ 自然关断，无反向恢复问题。由于Ｖ 导通，输 入与输出电压差加在串联的 。， ：两端，流过２个 电感的电流线性增加，直至ｔ４时刻Ｖ 开通。 由于Ｖ，，Ｖ４的导通时序正好相差半个周期且 占空比相同，后４个工作模态（ｔ４￣ｔ ）与前４个（ｔ。～ ｔ ）完全对称，这里不再赘述。 基于软开关Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ变换器的双向控制研究 由上述分析可知， 的加入实现了所有开关 管的ＺＣＳ，开关管的结电容使其实现了软关断。因 此通过将带 。的两路Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ变换器交错并 联可以实现软开关，减小开关损耗，同时可减小电 流纹波．增大输出功率。 ２．４软开关的实现条件分析 首先讨论Ｄ＞０．５的情况。设￡。由与其中一个 主电感电流相同变化至与另一个主电感电流相同 所需时间为 ，由模态分析可知：当锂电池放电 （即电路工作于Ｂｏｏｓｔ模式）时，其中一路的续流二 极管（即该路上管的反并二极管）需在该路下管关 断期间便实现自然关断．此时另一路下管可以是 开通或关断的．于是续流二极管的自然关断时刻 可以是该路下管关断且另一路下管开通期间（即 情形１的ｔ３￣ｔ４时刻），也可以是两路下管均关断 期间（情形２的ｔ３￣ｔ４时刻），从而该路下管下一时 刻才能实现ＺＣＳ。即对于情形１。可得： ｆ （ｔ。）一ｕ 。＋ （ｔ－）一（ 一 ） ＝０ ，．、 １ ≤（１一Ｄ） 对于情形２。可得： Ｉｆ （１（ｔ一Ｄ） ）－ｖ。 （１－Ｄ）Ｔ／≤ ２ Ｌ。＋ （ ）一（Ｕ 一 ） ＝０， ２ 另外易知： （￡。）＝厶 （ ），厶。（ ）＋ （ ）＝，０。由 式（１），（２）可推出厶需满足： 研 丽 （３） 当锂电池充电（即电路工作于Ｂｕｃｋ模式）时， 要想反并二极管自然关断及开关管实现ＺＣＳ，就 需要 在该路上管关断期间达到与该路主电感 电流相同。因此可得到： ｌｆ （≤（１一Ｄ）ｔ１）＋ １ＴＪ Ｌ ＝ （￡。）一 ／￡２ 珥 、 另外易知： ｆＩｕ（ｔ ）＝ （ ）＝一 （ｔｏ） ｛ （ｔｏ）＝ＩＬ （ｔ ）一（Ｕ。一 ）（Ｄ－０．５）Ｔ／Ｌ－ （５） １（ｔ１）＋ （ｔ１）＝Ｉｏ 由式（４），（５）可推出厶需满足： ≤ 砑 Ｕ１ （６） 。因此对于Ｄ＞Ｏ．５的情况，厶需同时满足式（３） 和式（６），又因两路主电感取值相同，即三－ ｚ＝ ， 结合Ｄ＞０．５．可化简得： （７） 对于Ｄ＜０．５的情况。只需将Ｄ换为１一Ｄ即 可，因此在任意输入输出电压范围内，￡。需满足： Ｌ。＜￣ｍｉｎ ｌ 圳［（１｜Ｄ）Ｅ－Ｕ１Ｕ１ —／（２Ｌ）’ （Ｄ －Ｕ，Ｕ ／（２Ｌ） ３ 数字控制实现自然双向切换 ３．１变换器双向切换主要问题分析 当同一个Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ单元的上管和下管互补 导通时。通过功率流的调节可自然实现充放电切 换，但互补导通时驱动电路的损耗会增加，且２个 开关管若控制不当有可能会直通。因此这里基于 上下管导通（即Ｂｕｃｋ模式仅上管导通，Ｂｏｏｓｔ 模式仅下管导通）研究变换器双向平滑切换。 导通模式要实现双向平滑切换。即要实 现Ｂｕｃｋ模式与Ｂｏｏｓｔ模式的平滑切换。由于上管 是浮地开关管，需要隔离驱动，因此采用变压器隔 离型驱动电路如图４ａ所示，下管采用非隔离型驱 动电路如图４ｂ所示。两管的驱动电路均采用图腾 柱结构，增强驱动能力。 （ｂ）非隔离型驱动电路 图４开关管驱动电路 Ｆｉｇ．４ Ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｅｓ 对于非隔离型驱动电路，下管漏源极带电的 情况下突然关驱动（即驱动电路的输入信号突然变 低电平），经过驱动电路后输出的ＰＷＭ波始终为 低电平。下管不会出现误导通。 而对于变压器隔离型驱动电路。由于变压器 的存在，关上管驱动时，驱动电路的输入信号已为 低电平，而经过驱动电路后，输出的ＰＷＭ波电压 会有所抬升，一旦大于ＭＯＳＦＥＴ开启电压，会出现 误导通现象。分析原因：①若驱动电路前级的输出 阻抗很小，则突然关驱动可等效为驱动电路输入 侧短路。突然关驱动时，因为Ｃ 上还有约９ Ｖ的 稳态电压（即驱动电路输入信号ＰＷＭ波的电压平 均值），故会通过Ｖ 放电，放出的能量储存在变压 器初级磁化电感中。当Ｃ 电压放电至负值。由于 输入侧短路，接下来储存在变压器初级磁化电感 中的能量又会通过Ｖ。 对Ｃ 充电，因此变压器初 级电压会产生振荡。振荡的电压通过变压器传递 至次级，再经过次级隔直电容ｃ２，最终导致开关 管栅源电压产生振荡。当振荡电压超过ＭＯＳＦＥＴ ３３ 第５０卷第４期 ２０１６年４月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．５０．Ｎｏ．４ Ａｐｒ．２０１６ 的开启电压，就会引起误导通。②若驱动电路前级 的输出阻抗很大。则突然关驱动可等效为驱动电 路输入侧断路。变压器初级不再有完整的充放电 回路，因此初级不会产生振荡。但由于ｃ 上还有 能量，因此ｃ２与变压器次级磁化电感产生谐振， 导致开关管栅源电压抬升，同样引起误导通问题。 由上述可见，误导通是由于谐振后 上电压 抬升．而ＬＣ谐振在采用变压器隔离时是不可避 免的，可考虑将变压器隔离改为光耦隔离，不过光 耦隔离成本较高，且驱动功率有限，而且在高频场 合变压器体积较小．有一定优势．因此还是在变压 器隔离基础上解决开关管误导通问题。要降低Ｃ２ 上的抬升电压，就需降低关断时变压器由初级传 输到次级的能量，也即降低Ｃ 上的稳态电压。而 Ｃ 上的稳态电压是驱动电路输入信号ＰＷＭ波的 电压平均值。因ＰＷＭ波的幅值一定（低电平为零， 高电平为１５ Ｖ），所以占空比越大，ＰＷＭ波的电压 平均值越大，Ｃ 上的稳态电压越大。关驱动前要 降低稳态电压，意味着需要减小Ｄ至较小的值， 那么即便谐振后Ｃ 电压有抬升，也不会上升至 ＭＯＳＦＥＴ开启电压。从而解决了关驱动时开关管 误导通问题。 ３．２双向切换控制策略研究 硬件上可以保证开关管带主电情况下正常开 通关断后，软件程序也有一定的要求。 要实现充放电自然切换，必须在程序中判断 何时需要切换，因此除了检测当前中断的充放电 模式（设为ＰｏｗｅｒＭｏｄｅ）外，还需知道前一次中断 的充放电模式（设为ＰｏｗｅｒＭｏｄｅ０），０表示充电，１ 表示放电，这２个变量组合可产生４种状态，分别 对应了４种操作，由表１的充放电模式可知．若检 测到ＰｏｗｅｒＭｏｄｅ０为０，ＰｏｗｅｒＭｏｄｅ也为０，则是正 常充电操作：若检测到ＰｏｗｅｒＭｏｄｅ０为０．而 ＰｏｗｅｒＭｏｄｅ为１，则应进行充电转放电切换操作。 表１充放电模式 Ｔａｂｌｅ １ Ｃｈａｒｇｉｎｇ ａｎｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ ｍｏｄｅ ＰｏｗｅｒＭｏｄｅ０ ＰｏｗｅｒＭｏｄｅ Ｏ １ 若需进行切换操作，以充电转放电为例，则需 关上管驱动，开下管驱动。前一节已分析过上管关 驱动误导通的问题。因此关上管驱动前需执行软 退出程序，可采用开环控制，将ＰＷＭ波占空比逐 步减小到接近于零后，再进行切换操作。 ３４ ４实验验证 为验证理论分析的正确性，研制了一台带辅 助电感的交错并联软开关双向Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ变换器 的实验样机．变换器主要参数如下：额定输出功率 Ｐｏ＝５００ Ｗ，Ｕ１＝３３—３５ Ｖ，Ｕ２＝２３～２９ Ｖ，开关频率． １００ ｋＨｚ。选用１２ Ｖ／ＩＯ０ Ａｈ的磷酸铁锂电池２节 串联。充电方式选用恒流／恒压充电法，先以恒定 电流对电池充电，当电压上升至设定值后。电路自 动转到恒压充电；放电采用恒流放电。基于 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２芯片实现充放电控制。 ４．１ 稳态实验结果 图５为恒流充电、恒压充电、恒流放电波形。 。一 分别表示Ｖ。一Ｖ 的驱动电压，ｉ 为两路电 感电流总和， 为低压侧电池电压，由图可见，此 变换器拓扑能有效实现对锂电池的充放电控制。 ． ．ｎ：、。 ．一 １ ＿．Ｉ ｎ ｉ ： ：ｊ 哩 ｆ－ 一■ — ’ 。Ｔ ；一 ｉ＿ｔ … ｔ／（４ ｌａｓｌ格） 【ａ）恒流充电 窒ｓＶ３ 日： ：： 善 － ：０日 ． ，． ．： ．：．．； ，：， 。．：． 知 生＝ ：ｉ：：：： ｔ／（４ ｓ，格１ 一咚＼（ｂ）恒压充电 图５稳态实验波形 Ｆｉｇ．５ Ｓｔａｂｌｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｗａｖｅｆｏｒｒｎ ４．２带电关驱动实验波形 图６示出驱动电路前后的ＰＷＭ比较波形。 螺 ； ２ ｔ／（４ ｇｓ／格）ｔ／（４ ｕｓ／格） （ｃ）加软退出盾关上管驱动时 （ｄ）加软退出后关驰动时刻放大 图６驱动电路前后ＰＷＭ波比较 Ｆｉｇ．６ ＰＷＭ ｗａｖｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ 图６ａ，ｂ是在带主电情况下，未加软退出就直 接关驱动时的波形，ＵＰＷＭ３， 为Ｖ 经变压器隔离 ＞０一基于软开关Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ变换器的双向控制研究 型驱动电路前后的ＰＷＭ波，ＵＰＷＭ ， 曩ｖ 为Ｖ 经非 隔离型驱动电路前后的ＰＷＭ波。可见。直接关驱 动时，上管经过驱动电路后栅源电压会有很大的 抬升，引起误导通；而下管栅源电压没有抬升。 图６ｃ是在带主电情况下。加软退出后关上管 驱动时的波形，可见，加入软退出程序，上管栅源 电压几乎未抬升，不会引起误导通。软退出是通过 逐渐减小ＰＷＭ波占空比的方法实现的，由图６ｄ 关断时刻驱动电路前后ＰＷＭ波的放大版可见． 占空比已减到了较小的值，从而实现了软退出。 ４．３软开关实验波形 图７为充电模式上管开通和关断波形，／２，如为 开关管漏源极电压， 为流过开关管的电流。可 见，开关管在开通与关断时均实现了软开关。在上 管关断期间，Ｍ由会降为零是因为该时刻另一路上 管导通，两路上管的源极只接着 因 相比主 电感很小，致使加在 上的电压很小，两路上管 的源极电压相差不大．因此另一路上管导通时，源 极电压与漏极电压等电位，图中上管关断期间Ｍ由 也会有一段为零的状态。 蛙 妊 ≥ ｉｖ ２ 望 固 ：…：“ｄ 蛙立《宝 Ｉ ＾Ｉｖ ８ 』Ｉ 。￣ 淞 ＼＾『 Ｉ＾ ＾，●＾ ●２ ２ （ａ）充电模式ＺＣＳ （ｂ）充电模式ＺＶＳ 图７充电模式软开关波形 Ｆｉｇ．７ Ｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ｉｎ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｍｏｄｅ ４．４双向切换实验结果及效率分析 开关管可在带主电的情况下进行开通关断， 使得锂电池也能实现充放电平滑切换。图８ａ为锂 电池充放电切换波形．可见充放电均实现了平滑 切换．有软启动过程。且没有误导通问题。 根据实验测量数据．可分别绘制出充放电时 不同功率条件下的效率曲线，图８ｂ为开关管 导通模式下的充放电效率曲线，其中Ｂｕｃｋ模式输 出功率为正．Ｂｏｏｓｔ模式输出功率为负。可见充放 电效率可达到９２％左右。 Ｂｏｏｓｉ模式 Ｂ ａｃｋ模式 ｌ— 卜—卜 ０ ｍ ／ ／ ／ Ｐｏ／Ｗ （ｂ）效率曲线 图８充放电切换波形和效率曲线 Ｆｉｇ．８ Ｓｍｏｏｔｈ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ａｎｄ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｃｕｒｃｅ ５ 结 论 研究了Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ变换器双向切换的数字控 制技术，通过理论分析和实验验证，得出如下结 论：①所提带辅助电感的交错并联Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ变 换器拓扑可使开关管实现软开关，降低开关损耗。 且续流二极管可实现自然关断，无反向恢复问题。 同时两路交错并联可减小电流纹波。提高输出功 率；②采用变压器隔离型驱动电路驱动开关管时。 提出的逐渐减小占空比的软退出方法可避免带电 关驱动开关管误导通的问题。实现此变换器拓扑 的双向平滑切换：③利用该拓扑对锂电池可实现 正常充放电及平滑切换，控制电路采用数字控制， 可靠性更高。且可通过修改控制程序，研究锂电池 其他充电方法，具有良好的拓展性和实用价值。 参考文献 （１】Ｋｏｎｇ Ｚ Ｇ，Ｚｈｕ Ｃ Ｂ，Ｙａｎｇ Ｓ Ｙ，ｅｔ ａ１．Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｂｉｄｉｒｅｃ－ ｔｉｏｎａｌ ＤＣ／ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｆｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｉｎ Ｅｌｅｃ— ｔｒｉｃ Ｂｕｓ ｗｉｔｌｌ Ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓ［Ａ］．Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｐｒｏ— ｐｕｌｓｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ［Ｃ］．Ｗｉｎｄｓｏｒ，２００６：１－５． ［２】Ｈｗａｎｇ Ｓ Ｈ，Ｊｕｎｇ Ｄ Ｙ，Ｊｕｎｇ Ｙ Ｃ，ｅｔ ａ１．Ｓｏｆｔ－ｓｉｗｔｃｈｉｎｇ Ｂｉ·－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ＤＣ／ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｕｓｉｎｇ ａ ＬＣ Ｓｅｒｉｅｓ Ｒｅｓ－－ ｏｎａｎｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ［Ａ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍａ— ｃｈｉｎｅｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｃ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ。２０１ｌ：ｌ一５． 【３】Ｌｅｅ Ｉ Ｈ，Ｋｉｍ Ｊ Ｇ，Ｋｉｍ Ｊ Ｈ，ｅｔ ａ１．Ｓｏｆｔ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｂｉｄｉｒｅｃ— ｔｉｏｎａｌ ＤＣ／ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｔｏ Ｒｅｄｕｃｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｌｏｓｓｅｓ［Ａ］． Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍａｃｈｉｎｅｓ ａｎｄ Ｓｙｓ— ｔｅｍｓ［Ｃ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ，２０１ １：１－６． ［４】Ｙｕ Ｄ Ｈ，Ｌｅｅ Ｊ Ｈ，Ｋｉｍ Ｓ Ｃ，ｅｔ ａ１．Ａｕｘｉｌｉａｒｙ Ｓｗｉｔｃｈ Ｃｏｎ· ｔｒｏｌ ｏｆ Ｂｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｓｏｆｔ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ＤＣ／ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｏｆｒ ＥＶ［Ａ］．Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍｏｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｏｎｆｅｒ— ｅｎｃｅ［Ｃ］．Ｈａｒｂｉｎ，２０１２：８５４—８５８． ［５］Ａｈｍａｄｉ Ｍ，Ｇａｌｖａｎ Ｅ，Ａｄｉｂ Ｅ，ｅｔ ａ１．Ｎｅｗ Ｆｕｌｌｙ Ｓｏｆｔ Ｓｗｉ－ ｔｃｈｅｄ Ｂｉ·－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｆｏｒ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉ－－ ｃｌｅｓ：Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ［Ａ］．ＩＥＣＯＮ ２０１０－３６ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ＩＥＥＥ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｍｎｉｃｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ［Ｃ］． Ｇｌｅｎｄａｌｅ，２０１０：２３４０－２３４５． ［６】Ｚｈａｎｇ Ｊ，Ｌａｉ Ｊ Ｓ，Ｋｉｍ Ｒ Ｙ，ｅｔ ａ１．Ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｓｏｆｔ··ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｈｉｇｈ－－ｏｐｗｅｒ Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ＤＣ／ ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００７， ２２（４）：１１４５—１１５３． 【７】Ｎｉ Ｌ，Ｐａｔｔｅｒｓｏｎ Ｄ Ｊ，Ｈｕｄｇｉｎｓ Ｊ Ｌ．Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｅｎｓｏｆｌｅｓｓ Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ １６·ｐｈａｓｅ Ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ ＤＣ／ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｆｏｒ Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１２，２７（３）：１１４１—１１５１． ［８】高雨翔，王勤，肖 岚，等．一种软开关交错并联双 向变换器的研究【Ａ】．中国电源学会第二十届学术年 会论文集［ｃ】．２０１３：４０４—４０８． ３５
