一种新型的零电压开关双向DC-DC变换电源

引言

在许多场合下，需要有能将直流电源进行双向变换的装置，以燃料电池为能源的电动车驱动系统，就是一例。在该系统中，同时具有普通酸铅蓄电池和燃料电池，普通酸铅蓄电池作为车辆冷起动动力，提供12～24V的低电压电源。起动后，用燃料电池提供150～300V的车辆驱动电压。因此，在电动车起动时，要求能将普通蓄电池输出的12～24V直流电压提升到150～300V，以起动系统开始工作。当系统进入正常工作后，用燃料电池的电能，对酸铅蓄电池进行充电，以恢复电池的能量消耗。双向DC-DC电源也可用于供电系统的直流操作电源中，供电系统的直流操作电源，通常用蓄电池作为后备电源，当使用双向直流变换电源后，可有效地减少后备电池的数量。对双向直流电源通常要求其具有高效、隔离、低辐射等特点，同时也要求电路结构简单，易于控制。

图1　DC-DC双向变换电路结构图

系统的结构及工作原理

双向直流变换系统的结构如图1所示，高频变压器T两侧的电源电压不同，电源能量能进行双向传送。从电路结构看系统具有以下特点。

电路的特点

用变压器作为隔离高、低压侧分别有既可整流又可逆变的变流装置。用IGBT或MOSEFT管作为开关器件构成桥式或半桥式整流逆变电路。若在图1的整流逆变或逆变整流框中，用全桥电路代换之，则得到双向DC-DC变换器主电路，如图2所示。为充分发挥电路的功能，在高频变压器的右侧接入一个电感Lk，用作电压提升。考虑到在保持功率平衡的条件下，需低压侧提供较大的电流，低压侧的电压波动对高压侧电压的稳定影响较大，因此在高压侧接入储能电感，这样控制输出电压的效果更好。正常情况下的能量流向是，从高压侧向低压侧方向，低压侧的蓄电池处于充电状态，另外低压侧负载需要消耗一定的能量。当能量从低压侧向高压侧流动时，具有短时和大电流的特点，通常只在系统起动或故障状态下出现。

图2　DC-DC双向变换主电路原理图

电路的工作原理

由于在MOSEFT管的d,s端或IGBT管的c,e端反并联了二极管，因此2个桥式电路均具有整流功能，逆变时需要对MOSEFT或IGBT管加触发脉冲。

低压向高压传送能量的过程

当能量从低压向高压方向传送时，要求M1～M4处于逆变状态，S1～S4处于提升状态。设：gMi为开关器件Mi的门极控制电平。gSi为开关器件Si的门极控制电平，

则

对gMi，gSi施加图3所示的控制脉冲，M1，M4导通构成变压器T左侧的正向电流；M2，M3导通构成变压器左侧的反向电流。为实现器件的零电压开关在M1，M4和M2，M3换流过程中加入死区。对S1，S2不加触发脉冲，对S3，S4加图3所示的触发脉冲起电压提升作用。

图3　能量从低压向高压流动时的门极控制脉冲