基于新能源汽車光伏充電樁的新型雙向大變比DC-DC變換器研究

王亮 蔣慶來

（長沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410217）

主題詞：大變比 DC-DC變換器 雙向 NEV

1 引言

在能源供應(yīng)日趨緊張和全球氣候變暖因素的背景下，太陽能的應(yīng)用越來越廣泛，應(yīng)用太陽能電池實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換(輻射能轉(zhuǎn)化為電能)的發(fā)電系統(tǒng)稱為光伏發(fā)電系統(tǒng)?；诠夥l(fā)電系統(tǒng)的新能源汽車充電樁能夠?yàn)樾履茉雌囂峁┣鍧?、高效的電能。如圖1所示在典型的光伏發(fā)電系統(tǒng)，超級(jí)電容，蓄電池等儲(chǔ)能設(shè)備是系統(tǒng)中必不可少的組成部分，一方面，目前光伏發(fā)電系統(tǒng)中常用儲(chǔ)能設(shè)備是蓄電池，其基本單元的輸出電壓通常較低，一般為12~48 V；另一方面，新能源汽車充電樁輸出直流母線電壓通常需要在400 V以上，因此在光伏充電樁的儲(chǔ)能設(shè)備與直流母線之間，需要雙向大變比DC-DC變換器進(jìn)行能量的傳遞。

圖1 光伏充電樁結(jié)構(gòu)

本文基于新能源汽車光伏充電樁的應(yīng)用場合，提出一種新型雙向大變比DC-DC變換器。該變換器的結(jié)構(gòu)簡單，在較小的耦合電感匝比下實(shí)現(xiàn)了電壓的雙向大變比變化，具有良好的工作性能。

2 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于新能源汽車光伏充電樁的新型雙向大變比DC-DC變換器拓?fù)淙鐖D2所示。圖中為低壓側(cè)電源，為高壓側(cè)電源，與為一對(duì)耦合電感，匝比為(=N/N)，為中間電容，S，S為開關(guān)管，D，D為功率二極管，為獨(dú)立電感。

圖2 基于新能源汽車光伏充電樁的新型雙向大變比DC-DC變換器拓?fù)?/p>

3 電路工作原理分析

3.1 正向升壓模式

在正向升壓模式中，開關(guān)管S和二極管D交替導(dǎo)通，相位相差180°，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，共有2個(gè)開關(guān)模態(tài)，穩(wěn)態(tài)工作時(shí)各開關(guān)模態(tài)的等效電路及其開關(guān)周期關(guān)鍵參量工作波形分別如圖3和圖4所示。

圖3 變換器正向升壓模式的工作模態(tài)

圖4 開關(guān)周期關(guān)鍵參量的主要工作波形

新型雙向大變比DC-DC變換器升壓方向的電路變比如式（1）。

式中，為開關(guān)管S1占空比。

通過式（1）可以建立新型雙向大變比DC-DC變換器正向升壓方向電壓變比與開關(guān)管S占空比和耦合電感匝比之間關(guān)系，如圖5所示。

圖5 變換器正向升壓電壓變比G Boost與占空比D和匝比N之間的關(guān)系

3.2 反向降壓模式：

在反向降壓模式中，開關(guān)管S和二極管D交替導(dǎo)通，相位相差180°，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，共有2個(gè)開關(guān)模態(tài)，穩(wěn)態(tài)工作時(shí)各開關(guān)模態(tài)的等效電路及其開關(guān)周期關(guān)鍵參量工作波形分別如圖6和圖7所示。

圖6 變換器反向降壓模式的工作模態(tài)

圖7 開關(guān)周期關(guān)鍵參量的主要工作波形

新型雙向大變比DC-DC變換器降壓方向的電路變比，如式（2）。

式中，為開關(guān)管S占空比

新型雙向大變比DC-DC變換器反向降壓方向電壓變比與開關(guān)管S占空比和耦合電感匝比之間關(guān)系，如圖8所示。

Experimental study of dynamic compaction on silt sand foundation building of large scale storage tanks

圖8 變換器反向降壓電壓變比G Buck與占空比D和匝比N之間的關(guān)系

4 電感設(shè)計(jì)

以正向升壓模式為例。低壓側(cè)電流平均值為；高壓側(cè)電流平均值為。在以開關(guān)管S導(dǎo)通為起始的一個(gè)周期內(nèi)，開關(guān)管S導(dǎo)通前，耦合電感和的電流瞬時(shí)值為i和i；開關(guān)管S導(dǎo)通后，耦合電感和的電流瞬時(shí)值為i和i；開關(guān)管S關(guān)斷前，耦合電感和的電流瞬時(shí)值為i和i；開關(guān)管S關(guān)斷后，耦合電感和的電流瞬時(shí)值為i和i；開關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，電感的電流為i；開關(guān)管S關(guān)斷時(shí)，電感的電流為i。相關(guān)參量如圖9所示。

圖9 電流波形相關(guān)參量示意

4.1 電感L2的設(shè)計(jì)

在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電感滿足伏秒平衡，因此i=i，當(dāng)電感電流臨界連續(xù)時(shí)，電感的電流增減量即為2倍高壓側(cè)電流平均值。

由式（3）得，電感電流連續(xù)條件如式（4）。

4.2 耦合電感L11和L12的設(shè)計(jì)

開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中耦合電感和之間的能量發(fā)生轉(zhuǎn)移，電流發(fā)生跳變，但任意時(shí)刻鐵芯中磁勢不能突變，因此由開關(guān)開通和關(guān)斷2個(gè)時(shí)刻，如式（5）、（6）。

耦合電感只在開關(guān)S導(dǎo)通時(shí)有電流流過，如式（7）。

耦合電感臨界連續(xù)時(shí)，如式（8）。

高壓側(cè)電流平均值為即為電感電流平均值，如式（10）。

電感電流i在一個(gè)周期內(nèi)的電流平均值I，如式（11）。

低壓側(cè)電流平均值即為耦合電感電流平均值，如式（12）。

由式(5)~(12)可得，要保證耦合電感和電流臨界連續(xù)，耦合電感應(yīng)滿足式（13）。

5 仿真與試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證前述理論分析的正確性，本文根據(jù)圖1所示的基于新能源汽車光伏充電樁新型雙向大變比DC-DC變換器，按照前述相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)理論要求，在仿真軟件PSIM中搭建了仿真模型，仿真模型參數(shù)如表1所示。

表1 電路仿真參數(shù)

5.1 正向升壓仿真研究

圖10給出了基于新能源汽車光伏充電樁新型雙向大變比DC-DC變換器正向升壓方向的仿真波形。圖10（a）為低壓側(cè)電壓波形、高壓側(cè)電壓波形、中間電容電壓波形，在匝比=0.9、占空比=0.5時(shí)實(shí)現(xiàn)了從低壓側(cè)電壓48 V到高壓側(cè)電壓480 V的升壓變比，中間電容電壓為480 V，等于高壓側(cè)電壓，與理論分析相符。圖10（b）為功率開關(guān)管S漏源2端電壓、功率二極管D陰極與陽極2端的電壓、耦合電感電流i波形，功率開關(guān)管S的電壓應(yīng)力為96 V，功率二極管D的電壓應(yīng)力為960 V，與理論分析相符。

圖10 正向升壓方向仿真波形

圖10 正向升壓方向仿真波形

5.2 反向降壓仿真研究

圖11給出了基于新能源汽車光伏充電樁新型雙向大變比DC-DC變換器正向升壓方向的仿真波形。圖11（a）為低壓側(cè)電壓波形、高壓側(cè)電壓波形、中間電容電壓波形，在匝比=0.9、占空比=0.5時(shí)實(shí)現(xiàn)了從低壓側(cè)電壓48 V到高壓側(cè)電壓480 V的升壓變比，中間電容電壓為480 V等于高壓側(cè)電壓，與理論分析相符。圖11（b）為功率開關(guān)管S漏源2端電壓、功率二極管D陰極與陽極2端的電壓、耦合電感電流i波形，功率開關(guān)管S的電壓應(yīng)力為96 V，功率二極管D的電壓應(yīng)力為960 V，與理論分析相符。

6 結(jié)論

本文提出了一種基于新能源汽車光伏充電樁的新型雙向大變比DC-DC變換器，對(duì)其應(yīng)用場合和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，最后通過PSIM軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。本文所提出的變換器具有以下特點(diǎn)：

（1）通過耦合電感的應(yīng)用，提高了高低壓側(cè)電壓的變比，實(shí)現(xiàn)了電能的雙向變化與處理。

（2）變換器所實(shí)現(xiàn)的電壓變比越大，耦合電感所需匝比越小，漏感越小，所提變換器結(jié)構(gòu)能有效避免耦合電感漏感所帶來的電壓尖峰和效率低下問題。

由于時(shí)間和實(shí)驗(yàn)條件的限制，還有些研究工作有待于今后進(jìn)一步的開展和完善，主要有：進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究；耦合電感的損耗分析以及匝比的優(yōu)化設(shè)計(jì)；軟開關(guān)技術(shù)研究等。