2019(3)
Design of Bidirectional DC-DC Converter for Solar Photovoltaic System
太阳能光伏系统双向DC-DC变换器的设计
韩猛，李昊远，刘东立，胡思诚
( 黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000 )
摘要：提出了一种应用于太阳能光伏系统的新型双向DC-DC变换器，引入了辅助开关管、辅助电容、辅助电感和辅助二极管等器件组成的有源缓冲辅助电路。变换器分为Boost工作模式和Buck工作模式，每个工作模式均有8个模态，对变换器的工作状态进行了分析。整个双向DC-DC变换器中主开关管能够实现ZVS，辅助开关管能够实现ZCS，减小了系统的开关损耗，提高了整体效率。有源缓冲电路解决了主开关管寄生二极管反向恢复问题，减小了系统的噪声，进一步提升了变换器的效率。通过实验仿真，验证了系统的准确性与可靠性。
关键词：太阳能光伏系统；双向DC-DC变换器；ZVS；ZCS中图分类号： A 文章编号：TM911 文献标识码：1674-2796（2019）03-0014-05
Design of Bidirectional DC-DC Converter for Solar Photovoltaic
System
Han Meng, Li Haoyuan, Liu Dongli, Hu Sicheng
(College of Electrical and Control Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology,
Harbin 150000, Heilongjiang)
Abstract: Novel bidirectional DC-DC converter for solar photovoltaic system is proposed. An active buffer auxiliary circuit composed of auxiliary switch, auxiliary capacitance, auxiliary inductor and auxiliary diode is introduced. Converter is divided into two modes as Boost mode and Buck mode, with 8 states for each one. Working state of converter is analyzed. ZVS in main switch and ZCS in auxiliary switch are realized in the whole bidirectional DC-DC converter, which reduce the switching loss and improve overall efficiency. Reverse recovery problem of parasitic diode of main switch is solved by the active buffer circuit, which reduce the noise of the system and improve the efficiency of the converter. Accuracy and reliability of the system are verified by experimental simulation.
Keywords: Solar photovoltaic system; Bidirectional DC-DC converter; ZVS; ZCS
0 引言
随着电动汽车、不间断电源(Uninterrupted Power Supply, UPS)、风能发电等绿色能源
的发展，双向DC-DC变换器由于体积小、效率高、能实现能量双向流动等特点，得到越来越广泛的应用[1]。特别在太阳能光伏电池应用领域类，双向DC-DC变换器具有能量双向流动的优点，形成储能和放能一体化的系统，为
[收稿日期] 2019-03-01[作者简介]韩猛（1999—），男，大学，专业方向为
电气工程。
*基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目(201910219023)
用电单元提供源源不断的电能。
业内较多文献对双向DC-DC变换器的结构和控制方法进行了研究，文献[2]利用Buck
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结构建立预测模型，通过粒子群优化算法求解约束预测控制优化问题，文献[3]中提出了一种Buck和Boost结合的新型四桥臂双向DC-DC变换器。上述文献中开关管均为硬开关过程，存在较大开关损耗。在对能源再利用能力和效率要求较高的场合，移相全桥结构的双向DC-DC变换器得到广泛的应用[4-6]，文献[7]和文献[8]均加入升压电感采用Boost型移相全桥分析，且文献[7]中的结构具有无功环流的优点，文献[9]采用了谐振式CLLC型全桥变换器，文献[10]在移相全桥拓扑结构的基础上增加了励磁电感和两个升压电感。以上文献中提到的结构均采用移相全桥结构，电路结构中使用大量的开关管使得整个变换器体积增大且不利于经济运行。应用于太阳能光伏系统的双向DC-DC变换器应符合体积小、高效循环利用以及经济运行等要求。
针对以上问题提出了一种非隔离型的新型结构双向DC-DC变换器，应用于太阳能光伏系统，且电路结构简单可靠，开关管能在整个工作周期内实现软开关过程，进一步减少开关损耗，达到高效节能目的。本文分析了新型结构双向DC-DC变换器的工作原理，给出了软开关实现的过程，通过实验仿真进行验证。
1 系统结构
太阳能光伏系统中双向DC-DC变换器工作系统如图1所示[11]，太阳能光伏电池板接收充足光源正常供电时，负载和蓄电池均由太阳能光伏电池板经由直流电网供电，双向DC-DC变换器工作在正向状态；太阳能光伏电池板接收光源不足无法正常供电时，负载由蓄电池经直流电网供电，双向DC-DC变换器工作在反向状态。
图1 双向DC-DC变换器工作系统
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电池充放电过程中需要进行状态的切换，提出了一种新型双向DC-DC电路结构，如图2所示。所提出的双向DC-DC变换器是一种两级结构，包含了Buck-Boost单元和一个实现软开关的LC谐振单元[12]。
图2 新型双向DC-DC变换器电路
传统的太阳能光伏双向DC-DC变换器存在开关损耗高的缺点，为提高变换器的效率，提出了一种新型双向DC-DC变换器，其中Vl为蓄电池低压侧，Vh为高压侧，S1和S2为主开关，S3和S4为辅助开关，D1和D2是反向阻塞二极管，D3和D4是钳位二极管，DS1～DS4为开关管的寄生反并联二极管，CS1～CS4为开关管的寄生电容，C1和C2为辅助电容，L1、L2分别为主电感和辅助电感。双向DC-DC变换器充放电过程中电流需要进行双向流动，一个周期内电路均能以Buck结构和Boost结构单独进行工作，每种结构均有8个工作模式[13]。
2 原理分析
2.1 Boost工作模式
Boost工作模式共有8个模态，部分关键点波形如图3所示。假设电感L1感值足够大，寄生电容CS1～CS4值足够小，C1和C2容值较大。
模态1（0～t1时刻）：0时刻，S4导通，CS1开始放电，CS2开始充电。寄生电容容值足够小，故此模态经历时间较短，近似认为开关管S1和S2栅源极之间电压呈微小线性变化，流过电感L1和L2的电流变化趋势恒定。
模态2（t1～t2时刻）：t1时刻，CS2两端电
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VgsS1
Vgst
S2
Vgst
S3
Vgst
S4
itL1iL2
tt
0t1
t2
t3
t4t5
t6
t7
t8
图3 Boost工作模式部分关键点波形
压值达到Vh，CS1放电完毕两端电压值为零，S1实现零电压开关（Zero Voltage Switching, ZVS）。iL2值的大小继续往零值方向靠近，流过电感L1的电流开始线性增大，且线性增大斜率
（1）
模态3（t2～t3时刻）：t2时刻，iL2达到零值后二极管D2自然截止，因此流过开关管S4的电流为零，S4实现零电流开关（Zero Current Switching, ZCS），流过电感L1的电流继续线性增大。
模态4（t3～t4时刻）：t3时刻，S3开始导通，S1继续导通。辅助电容C1开始放电，iL2开始由零值线性增加。
模态5（t4～t5时刻）：t4时刻，S1关断，CS1开始充电，CS2开始放电。由于寄生电容容值足够小，故此模态经历时间较短，可近似认为开关管S1和S2栅源极之间电压呈微小线性变化，流过电感L1和L2的电流在t4时刻达到最大值后开始减小，与模态1类似。
模态6（t5～t6时刻）：t5时刻，CS2放电完毕两端电压达到零值，S2实现零电压开通。iL2继续减小，流过电感L1的电流线性减小，且线性减小斜率。
（2）
模态7（t6～t7时刻）：t6时刻，iL2值降为零值后二极管D1自然截止，因此流过开关管S3的电流为零，S3实现零电流关断，流过电感L1
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的电流继续线性减小。
模态8（t7～t8时刻）：t7时刻，S4开始导通，S2继续导通。辅助电容C1开始放电，iL2开始由零值反向线性增加。t8时刻，S2关断，CS1开放充电，CS2开始充电，新的周期开始。2.2 Buck工作模式
Buck工作模式与Boost工作模式相同，只是流过电感L1和L2的电流反向，能量由Vh一侧向Vl一侧传递，部分关键点波形如图4所示。
VgsS1
Vgst
S2
Vgst
S3
Vgst
S4
iL1
tt
iL2
t
0t1
t2
t3
t4t5
t6
t7
t8
图4 Buck工作模式部分关键点波形
模态1（0～t1时刻）：0时刻，S4导通，CS1开始放电，CS2开始充电。寄生电容容值足够小，故此模态经历时间较短，可近似认为开关管S1和S2栅源极之间电压呈微小线性变化，流过电感L1和L2的电流减小趋势不变。
模态2（t1～t2时刻）：t1时刻，CS2两端电压值达到Vh，CS1放电完毕两端电压值为零，S1实现零电压开通。iL1的值反向增大，且iL1增大的斜率与式（1）中的k1值相同，iL2的值继续减小。
模态3（t2～t3时刻）：t2时刻，iL2达到零值后二极管D2自然截止，因此流过开关管S4的电流为零，S4实现零电流开关，流过电感L1的电流继续反向线性增大。
模态4（t3～t4时刻）：t3时刻，S3开始导通，S1继续导通。辅助电容C1开始放电，iL2开始由零值线性反向增加，iL1仍在反向线性增大。
模态5（t4～t5时刻）：t4时刻，S1关断，CS1开始充电，CS2开始放电。由于寄生电容容值足够小，故此模态经历时间较短，可近似认
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为开关管S1和S2栅源极之间电压呈微小线性变化，iL1和iL2在t4时刻均达到反向最大值后开始减小，与模态1类似。
模态6（t5～t6时刻）：t5时刻，CS2放电完毕两端电压达到零值，S2实现零电压开通。iL1和iL2均开始反向减小，且iL1减小的斜率与式（2）中的k2值相同。
模态7（t6～t7时刻）：t6时刻，iL2反向达到零值后二极管D1自然截止，因此流过开关管S3的电流为零，S3实现零电流关断，流过电感L1的电流继续向零值减小。
模态8（t7～t8时刻）：t7时刻，S4开始导通，S2继续导通。辅助电容C1开始放电，iL2开始由零值线性增加。t8时刻，S2关断，CS1开放充电，CS2开始充电，新的周期开始。
3 仿真实验
与传统的软开关电路相比，新型双向DC-DC变换器电路结构简单且不隔离，仅增加两个辅助开关管和辅助电感、电容，引入有源缓冲电路即可实现软开关过程。通过上述原理分析，对电路进行仿真实验。流过开关管S1的电流与开关管两端电压关系如图5所示，流过开关管S2的电流与开关管两端电压关系如图6所示。
图5 S1管ZVS波形
图6 S2管ZVS波形
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由图5和图6可知，当主开关S1和S2导通之前，它们两端的电压已降为零，即两个主开关管能实现ZVS过程，减小硬开关带来的开关损耗。此外，引入有源缓冲电路，寄生二极管的反向恢复问题也得到了解决，寄生二极管能够在寄生电容放电完毕时自然关断，消除了噪声的影响，减小了主开关管开通时的浪涌电流，提高了整个系统的稳定性。流过辅助开关管S3和S4的电流与它们两端电压的波形关系如图7和图8所示。
图7 S3管ZCS波形
图8 S4管ZCS波形由图7和图8可知，辅助开关管S3和S4由于流过电感iL2的电流减小到零值，因此能够自然关断，实现ZCS过程，减小了开关损耗，引入有源缓冲电路，避免了寄生二极管反向恢复
过程。
通过样机实验，将传统常规双向DC-DC变换器与应用于太阳能光伏系统的新型DC-DC变换器的效率进行对比，对比曲线如图9所示。引入辅助器件后，形成了有源缓冲电路，整个系统的开关损耗进一步减小，效率得到了显著的提升。
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图9 效率对比曲线
4 结论
对比了现有的双向DC-DC变换器技术，提出了一种应用于太阳能光伏系统的新型双向DC-DC变换器。引入了辅助开关管、辅助电感和辅助电容等元器件，与常见的移相全桥电路对比，新型双向DC-DC变换器电路结构简单，体积与重量较小，整个系统能够实现经济稳定运行。主开关管能够实现ZVS过程，辅助开关管能够实现ZCS过程，减小了系统的开关损耗，提升了整个变换器的效率。此外，有源缓冲电路的引入使得整个系统噪声减小，解决了主开关管寄生二极管反向恢复带来的干扰问题，进一步减小了双向变换器的损耗。参考文献：
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