超級電容互補PWM驅(qū)動模式下軟開關(guān)的實現(xiàn)

本文討論了超級電容的充放電特性及雙向DC/DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)，采用了非隔離雙向DC/DC變換器作為儲能系統(tǒng)的主拓撲，分析了互補PWM驅(qū)動模式下軟開關(guān)的實現(xiàn)。本文也對超級電容的充電策略進行了陳述，建立了雙向DC/DC變換器的小信號模型，最后搭建了MATLAB/Simulink仿真平臺，給出仿真結(jié)果和實驗結(jié)果驗證了理論分析的可行性。

1. 前言

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，社會對節(jié)能環(huán)保的要求不斷增高，雙向變換器（BDCs）作為轉(zhuǎn)換能量的直流變換技術(shù)，成為越來越多國內(nèi)外學(xué)者的研究對象，特別是在能量存儲系統(tǒng)等相關(guān)領(lǐng)域中得到了關(guān)注和研究，廣泛的應(yīng)用在電梯［1］，城市軌道交通系統(tǒng)［2］，混合動力車［3］，燃料電池儲能［5］，以及新能源［5］等領(lǐng)域。在儲能系統(tǒng)中雙向DC/DC變換器的存在既能降低系統(tǒng)的成本，同時也能夠提高整個系統(tǒng)的工作效率。圖1為基于超級電容的雙向變換器在儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用框圖，其中虛線框內(nèi)為超級電容模組示意圖。在交流負載（電機）啟動或者加速過程中，需要變換器提供一定的瞬時峰值功率，為了減少對電網(wǎng)的沖擊，這部分能量由超級電容通過雙向變換器提供給交流負載，而當(dāng)交流負載制動減速時，負載回饋的能量經(jīng)過雙向變換器存儲在超級電容中，達到節(jié)能環(huán)保的目的。

超級電容作為新型的能量存儲元件，是20世紀60年代后期問世的一種新型儲能元件，近些年來倍受關(guān)注。由于帶有雙向直流變換器的超級電容儲能系統(tǒng)能夠?qū)Χ虝r的能量沖擊起到緩沖作用，在很多領(lǐng)域都有所應(yīng)用。超級電容器（Ultra-capacitor）也叫雙電層電容器（EDLCs），同時也有黃金電容、法拉電容的稱號，采用了金屬氧化物作為電極，利用電極與電解液中極性相反的離子相互吸引形成雙電層電容來存儲能量，故其充放電過程中不參與化學(xué)反應(yīng)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

法拉電容（Ultra-capacitor）作為新型儲能元件，與普通的蓄電池及電解電容相比有諸多的優(yōu)點，其中最主要的就是超級電容具有較高的功率密度和能量密度，與蓄電池相比，超級電容具有較高的功率密度，與電解電容相比，超級電容具有較高的能量密度，所以超級電容的存在能夠彌補蓄電池與普通電解電容的不足之處，這也決定了超級電容作為新型的儲能元件在儲能系統(tǒng)中的廣闊的應(yīng)用前景。除了以上優(yōu)點，超級電容的主要優(yōu)點包括充放電壽命長，免維護，充放電速度快，儲能效率高，環(huán)境友好等［6］。

2. 雙向變換器拓撲結(jié)構(gòu)及軟開關(guān)的實現(xiàn)

由于非隔離變換器具有結(jié)構(gòu)簡單，效率高的優(yōu)點，本文所選擇的變換器為非隔離式雙向DC/DC變換器拓撲，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，其基本原理為：當(dāng)開關(guān)管S1作為主控管時，能量由高壓側(cè)流向低壓側(cè)，此時雙向變換器工作于Buck方式，相反當(dāng)開關(guān)管S2作為主控管時，雙向變換器工作于Boost方式，從而實現(xiàn)了能量的雙向流動。

半橋電路的驅(qū)動方式主要包括獨立式PWM驅(qū)動與統(tǒng)一PWM驅(qū)動方式，與獨立式PWM驅(qū)動方式相比，統(tǒng)一PWM驅(qū)動方式始終保持半橋電路上下兩橋臂的驅(qū)動信號互補，通過控制電感電流方向控制能量的流向，切換雙向DC/DC變換器的工作狀態(tài)，不需要相應(yīng)的切換電路，控制容易，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向DC/DC變換器的雙向工作的統(tǒng)一控制，且能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通。其中開關(guān)管實現(xiàn)軟開關(guān)需要滿足電感電流過，互補PWM驅(qū)動方式能夠保證電感電流過零，避免了普通DCM模式下主電感與輸出電容之間的諧振產(chǎn)生的振鈴現(xiàn)象。圖4為驅(qū)動信號與電感電流的波形示意圖。

首先，當(dāng)在t1-t2時間段內(nèi)上管門極信號使能，S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷，電感電流線性上升，t2-t3時間段內(nèi)，此時間段被驅(qū)動信號死區(qū)時間內(nèi)，上下橋臂開關(guān)管均沒有驅(qū)動信號，此時電感電流使開關(guān)管寄生電容C1充電，C2放電，C1的充電減緩了開關(guān)管S1兩端電壓的上升，從而減少了關(guān)斷損耗。當(dāng)C2完全放電時，此時Vce2為0，此時電流電流會通過D2構(gòu)成回路，當(dāng)驅(qū)動信號來臨時，開關(guān)管S2工作在零電壓狀態(tài)。t3-t5時間段內(nèi)在超級電容電壓作用下，電感電流線性下降直到過零，過零后開關(guān)管S2導(dǎo)通，則D2在關(guān)斷在零電壓條件下，反向恢復(fù)損耗為零，同時避免了振鈴現(xiàn)象。當(dāng)S2關(guān)斷信號來臨時，即進入死區(qū)時間內(nèi)，同上，C2充電，C1放電，當(dāng)完全充放電完成時，電感電流流過D1，此時開關(guān)管S1工作在零電壓開通條件下，同時也減少了S2的開關(guān)損耗。以上為電路工作在buck狀態(tài)下的分析，對于boost同樣適用，上下管工作在零電壓開通條件下，并使二極管D1的反向恢復(fù)損耗為零，寄生振鈴現(xiàn)象得到抑制。從而實現(xiàn)了ZVRT。

3. 雙向變換器模型建立及控制器設(shè)計

由于雙向DC/DC變換器中存在開關(guān)器件（IGBT）和二極管這樣的非線性器件，為非線性系統(tǒng)，但是在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的情況下，系統(tǒng)小信號擾動之間存在線性關(guān)系，因此，非線性系統(tǒng)可以通過系統(tǒng)的小信號模型的線性關(guān)系來近似等效，為分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性及動態(tài)特性［7］。

a） Buck方式下的模型

雙向變換器工作于buck方式下時的電路圖如5所示，其中LR為電感等效內(nèi)阻，csR、cpR分別為超級電容的等效串聯(lián)電阻與等效并聯(lián)電阻。

為了保證對超級電容（capacitorUltra?）充放電進行有效的控制，雙向DC/DC變換器必須進行閉環(huán)控制，而環(huán)路的設(shè)計直接影響到變換器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)速度，因此控制器的設(shè)計對于一個系統(tǒng)而言非常重要，使得超級電容的充放電能夠隨著系統(tǒng)中的狀態(tài)改變而實時的改變。圖7為雙向變換器工作于BUCK方式下的電流單環(huán)閉環(huán)控制方框圖，其中包括控制器傳遞函數(shù)）（_sCbucki，控制器延時傳遞函數(shù)）（sD，電感電流對占空比的傳遞函數(shù)）（_sCbuckid，模擬濾波傳遞函數(shù)）（sRC以及采樣比例系數(shù)K/1。其中）（_sCbucki的表達式如下：

對于電壓外環(huán)的控制器參數(shù)為：5.0=pK，8=iK，補償后的電壓外環(huán)的開環(huán)頻率特性如圖11所示，計算出對應(yīng)的相角裕度γ為46.7deg， 幅值裕度為126dB，系統(tǒng)電壓外環(huán)穩(wěn)定。

4. 仿真分析及實驗

本文基于以上分析搭建了雙向DC/DC變換器的MATLAB/Simulink仿真平臺，以及實驗平臺，對前幾章的分析進行理論及實驗上的驗證。主要參數(shù)高壓側(cè)（VH）電壓540V，低壓側(cè)超級電容電壓100-300V，功率1KW-3KW，開關(guān)頻率5K，BUCK/BOOST主電感（L）為780μH，高壓側(cè)濾波電容（CH）為790μF，高壓側(cè)電阻負載147Ω，超級電容容量為13.3F。Buck方式下采用恒流充電控制方式，充電電流的平均值為5A-15A，Boost方式下采用電壓電流雙閉環(huán)控制，保持高壓側(cè)電壓540V穩(wěn)定。對雙向變換器的工作特性進行了仿真分析，分別測試了Buck方式與Boost方式下的電流及電壓響應(yīng)，對雙向變換器的工作進行了實驗測試分析系統(tǒng)的軟開關(guān)特性，實現(xiàn)了超級電容的恒流充放電。

圖12為雙向變換器工作于Buck方式下超級電容恒流充電電壓波形，其中充電電流平均值為10A，超級電容的初始電壓為100V，充電時間約7s，可以看出超級電容電壓有很好的線性度。

圖13為對應(yīng)該模型的Buck方式與Boost方式切換的超級電容端電壓及電感電流仿真波形圖。切換工作方式前，雙向變換器工作在Buck方式下，對超級電容恒流充電，充電電流為10A，在2s時切換為Boost工作方式，輸出電壓為540V，如圖可以看出，放電平均電流約為15A。

圖14為電感電流斷續(xù)模式下開關(guān)管實現(xiàn)零電壓開通的波形圖，可以看出在IGBT兩端電壓CEU下降為零之后，開關(guān)管才有驅(qū)動信號，保證了IGBT的零電壓開通，實現(xiàn)了ZVRT。

圖15為雙向DC/DC變換器工作于Buck方式下的超級電容恒流充電波形圖，可以看出超級電容初試電壓為15V，控制充電電流為7A，充電時間為60s，可以看出超級電容的電壓有較好的線性度。

5. 結(jié)論

本文提出了電感電流在互補導(dǎo)通模式下軟開關(guān)的實現(xiàn)，建立了雙向變換器的小信號平均模型，設(shè)計了對應(yīng)數(shù)字控制器，使雙向變換器具有較好的動態(tài)特性及穩(wěn)定性。搭建了Matlab/Simulink仿真平臺，對雙向變換的充放電進行了驗證，給出了超級電容的恒流充電及軟開關(guān)實現(xiàn)的實驗波形，驗證了理論分析的正確性。

參考文獻

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［6］ 王善壘。電梯系統(tǒng)中超級電容儲能的研究［D］。杭州：浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008:8-10.

［7］ 徐德鴻。電力電子系統(tǒng)建模及控制［M］。機械工業(yè)出版社，2006：6-20.

作者簡介

佟德軍：男，1986 年生，碩士研究生，研究方為照明電源技術(shù)