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一种含有新型的高效率大功率交错耦合电感升压DC-DC转换器的混合动力和燃料电池电动汽车

Su man Dwari and Leila Parsa

电气计算机与系统工程系

伦斯勒理工学院

特洛伊，NY12180-3590，USA

电子邮箱：parsa@ecse.rpi.edu

摘 要

在本文中提出一种高效高功率高升压DC-DC变换器用于连接分布式能源存储元件，像燃料电池，电池，和带有电动汽车的高压直流总线（EV）和混合动力电动汽车（HEV）的超级电容。在此在所提出的转换器，耦合电感升压变换器被交错和一个升压转换器用于在较低的电压下夹紧交错的开关电压转换器。所有的交错转换器都被聚集在一次装夹电容器所泄漏的能量由夹紧升压转换器排出到输出口。交织和耦合电感的低电压钳位升压转换器能够实现高效率。提出转换器的设计。 最后模拟结果用于验证转换器。

介绍

高排放，低效率的多油的操作引起了对于传统内燃机引擎（ICE）车辆的日益关注。电动汽车和混合动力汽车提供了关于这些问题的令人鼓舞的解决方案。各种分布式能源存储组件，如电池，燃料电池，超级电容器等，为实现这样的好处[1,2]在混合动力汽车和电动汽车动力传动系统被有效地用于提供为所需的直流电压源。在如今使用的动力总成结构的这些车辆中，能量存储元件的额定电压通常是低而摩托是在高得多的电压[3-6]驱动。因此，高功率和高电压的升压型DC-DC转换器提供必要的能量之间的界面存储组件和高电压DC-Link总线逆变器。图1（a）示出基于燃料电池的动力传动系HEV[3,5]。基于超级电容器的能够再生的混合动力汽车能量储存系统制动[7]的示意图示于图1（b）中。在这些用途中升压转换器用于加紧的电压。

在一个传统的升压转换器中，负载比增加作为输出与输入电压比的增加。但应用像HEV和EV需要高升压比（6个或更多）和高效率的电源转换。在这样的应用中，因为所需要的大占空比，它就成为对维持使用常规的升压转换器的高效率的一个主要挑战。为高输出电压，升压开关需要阻止大的电压，因此导通电阻，导通电阻，这是成正比的阻断电压的平方，数值会变得非常高。同时像电动汽车高功率的应用中，低输入电压导致大的输入电流流过。同时与低占空比工作RMS纹波通过升压二极管的电流和输出电容变得非常高。这些增加的损失极大，使传统的升压转换器的效率相当低。此外，目前在实际电路中的寄生振荡引起的附加电压应力和需要使用较高阻断电压额定值的开关，导致更多的损失。所述耦合电感升压变换器（图2a），可以是一个很好的解决了上述问题。如，在这种转换器中使用的耦合电感降低了所需的占空比为给定的输出与输入电压比。这也减少了开关两端的电压。占空比和开关的电压应力可以通过初级电感器L1到次级电感器L2的匝数比来控制。因此，对于高电压升压应用中，耦合电感升压变换器可以比传统的升压转换器更有效。在电动汽车和混合动力汽车应用的高功率要求一样，耦合电感器升压变换器可以有效地交织以实现高功率，高可靠性，并具有降低的电感器和电容器的尺寸高效运行。交错的各种优势，在文献[89]很好的报告。图2（b）表示这是在此工作的EH和HEV的系统提出的耦合电感升压变换器的交错的示意图。

图2（a）耦合电感升压转换器(b)交错耦合电感升压转换器

但在实际的耦合电感会有相当大的量存在泄漏电感由于电感器L1和L2之间的非理想的耦合。漏感引起高压开关尖峰，寄生振荡和损失的转换器，它使转换器性能降低。电阻电容根据缓冲电路可以被用来减轻这个问题，但它们是有损耗的。有源钳位开关可以用来解决这一问题[10]。但是，这种方法是复杂的，还有其他一些缺点有待解决[11]。二极管和一个电容器基于夹紧转换电路[11]，其中钳位电容器通过耦合电感升压变换器（图4b）中的次级侧电感器排出到输出。但在这种电路中的钳位二极管与所述耦合升压电感器串联，因此，不仅漏电感电流但总次级端电流通过该二极管。这将导致在二极管大的损失，而且二极管还需要额定由每个单元所处理的总功率。这使得转换器的操作效率低，不适合于在目标高功率的EV和这个工作的HEV应用。此外，在该电路中，采取耦合电感升压转换器的减少了开关电压应力特性的优点，在钳位电容器必须是相当大的。最后，在所有上述解决方案中，每个在交错耦合电感升压转换器的单位，需要额外的组件和控制（如果需要的话）。这是从成本，尺寸和角度可靠性角度再次失望。在这项工作中一个新的钳位电路，提出（图5），其中，存储在全部交错耦合电感升压单元的漏电感的能量聚集在一个单一的钳位电容器。在每个单元中，一个二极管从耦合电感器的钳位电容器的公共节点连接到提供用于泄漏电感电流的路径。这使得钳位操作效率。一个简单的升压转换器是用来排出储存的能量在钳位电容器到输出电所储存的能量，升压转换器被控制为保持在耦合电感升压开关钳位电容器电压，因此电压应力在低值。常规的升压转换器可以在这个阶段使用，因为输出中的电压钳位电压升压比不是很高。此外，在该升压转换器的适当控制在交错耦合电感升压转换器的输出电流纹波可以被取消。这将进一步降低输出电压纹波和电容器的尺寸。耦合电感升压转换器和交错的分析在第二节介绍。优点，操作及建议交错耦合电感升压转换器系统的控制的讨论，在第三节。最后，仿真结果在四节呈现。

交错耦合电感升压转换器

假设耦合电感升压变换器（图2a）是在连续导通模式（CCM），可以如在得到的稳态输出电压与输入电压比的理想的转换器如公式1。

公式中， 是输入电压是 输出电压，D为转换器的占空比，而N是次级电感轮到初级电感的匝数比。它可以从（1）中看到，对于相同的电压增益，可通过匝数比增加而降低占空比可以看到。栅极脉冲，并且在CCM初级电感器L1中的电流波形示于图。如图3（a）。对于降压或升压转换器的大电流或高功率应用交错已经非常成熟[8＆9]。借此方法的显著优势，在这里提出了一种电动汽车和混合动力汽车的应用耦合电感升压转换器的交织。在这种方法的单个电感耦合升压变换器单元（图2a）中被视为相和n如相平行（图2b）中连接在相同的占空比来操作，但用（2pi;/ N）弧度电角度相移。在正常或满负载状态下每相同样股份总数输出负载。但较低的输出功率的需求的条件下，运行阶段的数量也可以为细胞的最大效率操作调节。

图3（a）耦合电感升压转换器的输入电流

(b)交错耦合电感升压转换器的输出电容充电电流

电池以交错系统的数n，主要取决于升压比与负载的最大功率需求。考虑到燃料电池动力HEV系统[6,7]的标准电源结构;在这项工作中的标称输入电压取为42V。选择高压逆变器的直流链路的额定输出电压为350V，则可以计算出该升压比为8.33。选择继发于主级电感的匝数比N = 3，并纳入在等式（1），占空比可以计算为D =0.66的转换器中的开关电压降和二极管的正向压降。与此占空比，任何相位改变其开关周期的1/3的输出电容器。因此，通过选择适合的交织三个阶段中，输出电容可以连续地充电。栅极脉冲序列，以三单元和电容器充电电流示于图3（b）该输出电容器的连续充电降低了波纹和电容器的尺寸。在提出了三个单元的详细电路图基于与升压转换器的交错夹紧示于第三节图5中第四段

锁模，交错耦合升压转换器

图4（a）非理想的耦合电感升压变换器的漏电感

（b）电容器和串联二极管钳位耦合电感升压转换器

（c）并联二极管钳位耦合电感升压转换器

在一个实用的耦合电感会有泄漏电感由于初级和次级电感器之间的非理想的耦合。与漏感的实用转换器的等效电路图示于图4（a）中。在切换过程中，这些漏电感会导致高电压尖峰。存储在次级漏感中的能量得到一个路径通过二极管D但在初级侧漏电感流到输出没有得到的路径当开关S被关断，以履行其能量。这导致一个高电压应力到开关和振铃损失（图6A）。使用串联的二极管和并联电容器的钳位电路在[11]（图4B）被提出。但该电路是低效和不适合使用的交织的高功率应用。它可以被提议夹紧使用并行二极管（图4c）的开关电压的输出电压。在这种拓扑结构存储在泄漏电感中的能量是由并联的二极管直接排出到输出电容器和开关电压被钳位到输出电压。可以看出，这种转换器避免了总功率的串联导通损失，但该开关的电压应力的缺点变得等于输出电压。所以这种构造不走耦合电感升压拓扑结构的全部优势，并且不适合于高电压升压的应用程序。但它可以是适合于较低的输出电压高电流的应用。

图5升压转换器钳位交错耦合电感升压转换器（任意数量的相可以交错，设计中显示了三相）

到接近引起在一个理想的耦合电感器升压变换器的电压应力的水平，在此工作的升压变换器夹紧交错耦合电感升压变换器提出（图5）降低开关的电压应力。在这种转换器中，在各相的二极管设置在两个电感器和开关的公共节点连接（DC1，DC2 ...）。这些二极管然后连接到电容器（CB），用于收集所有阶段的初级漏感能量和夹紧开关（S1，S2 ......）的电压。一个简单的升压转换器是用来排出储存在该钳位电容器（CB）到输出电容器（C）的能量。但不像正常升压转换器，此夹持升压转换器具有由高功率交错转换器和一个可变的输入电压控制的固定输出电压。因此升压转换器被控制以释放从钳位电容器（CB）的所有多余的漏感能量到固定输出直流母线和保持其输入电压与参考电压电平用于夹紧耦合指示器升压转换器的开关。用于夹紧此参考电压被选择为比由一个理想的耦合电感升压转换器所提供的电压应力略高。有了这么多的降低开关管电压应力;该转换器可被设计，以实现高效率。在一个耦合电感升压转换器的关断期间的输出与输入电压的差在转换器的两个耦合电感器的应用。因此对于耦合电感升压转换器的成功的操作，升压输入电容器的电压（CB）具有高于最小电压BMIN V到维持。用于计算该最小电压的方程式可以如（2）来获得。

从交错变换器的初级漏感的总功率可以写为：

式中，f是开关频率，LP L1是初级漏感和PI最大值i是在第p个相位的峰值初级电感电流。为了简单的漏电感和交错相的峰值电流可被认为是相同的。考虑用于夹紧升压变换器工作在连续导通模式下的平均功率输出是：

其中， 为占空比， 我是升压转换器的输出电流的平均值（）和 我是升压电感电流的平均值（）中。在稳定状态的漏出功率和排出到输出的总功率是相等的。等式（3）和（4）可以为电感器设计中获得的平均升压电感电流。在这个等式的占空比仍是未知数。在连续导通模式工作时，升压转换器的输入和输出电压可以与为：

利用方程（2）和（5），用于夹紧升压转换器的占空比的方程保持升压转换器可以由下式得到的最小输入电压：

来自转换器的拓扑结构，可以看出，夹持升压转换器的电压决定了交错式升压转换器开关的电压额定值。因此，瞬态条件期间夹紧升压转换器的控制装置应当能够控制低于最大可允许电压钳位电容器可以应用到所选的开关的电压。因此，它可以被认为是，夹紧升压转换器的电压控制回路应比交错耦合电感升压转换器的电压控制回路快得多。另外，在启动状态，以避免夹紧电压过冲，夹紧升压转换器应交错转换器之前被活化。可以提到的是在耦合电感升压变换器初级电感器的电流和输入电流相同。因此，象传统的升压转换器，输入电流模式控制，可在耦合电感升压转换器通过感测所述主电感器电流或开关电流来实现。

仿真结果

仿真在SABER进行拟议交错耦合电感升压转换器的验证。 A10kW，42V至350V升压转换器的设计。如在第二节和第三节提到的设计计算和方法用于此目的。联接共同有效的初级和次级电感之间被认为是0.95。到主级电感的匝数比的次级电感器是3初级电感is90mu;H的值。交错转换政府新闻处工作占空比= 0.66。升压转换器的输入电压保持在133V夹紧。从等式计算转换器的最小钳位电压（2）是119V。所有的转换器的切换频率被选择为20千赫。的交错耦合电感升压转换器和所述升压转换器的设计在额定负载连续传导模式进行操作。所选的输出电容值1000mu;F。在升压转换器中的钳位电容器的值是66mu;F。

图6：仿真结果：（a）电压过耦合电感升压转换器的开关

(b)交错耦合电感升压转换器的输入电压、输出电压和钳位电压

图7仿真结果（a）一相主电流、副电流、漏电流

（b）交错变换器三个相位的初级电感电流

（c）交错变换器的总输出电流和升压转换器的（d）输出电流

图8（a）钳位升压电感电流

（b）总漏电感电流充电钳位电容和（c）钳位电容电压

图6A呈现横跨耦合线圈升压单元的开关电压。这表明造成当使用没有夹紧漏感以及在这项工作中提出夹紧升压转换器实现低电压钳位高电压尖峰。图。图6b示出了在满负荷状态下转换器的输入，输出和钳位电压电平。图6C呈现了转换器的总输入电流。图7a示出了交错变换器的相位的初级，次级和泄漏电感电流。由此可以看出，在一个耦合电感升压变换器的每个开关周期中，存储在初级漏电感中的能量被向钳位电容器槽在所述上的开关的周期结束时高电流尖峰放电。交错变换器的三相的输入电流显示在图7b中。可以看出，每个相电流在幅度上相等，并且它们相移by120度。三个交错相的总输出电流，夹紧升压转换器的输出电流表示在图7c中。输出电容器电压纹波示于图。 7D。夹紧升压转换器的电感器电流示于图8A。可以看出需要用于夹持升压转换器的操作是在不小，以致占空比，所以可以以良好的效率进行操作。总漏电流与

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