【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 量，從而使開關(guān)變換器成為一個(gè)一階無(wú)條件的穩(wěn)定系統(tǒng)，它只有單個(gè)極點(diǎn)和相位滯后，因而很容易不受約束地得到大的開環(huán)增益和完善的小信號(hào)、大信號(hào)特性。 所謂硬開關(guān)技術(shù)，是指開關(guān)管上的電壓(或電流)不為零時(shí)，強(qiáng)迫開關(guān)管開啟(或關(guān)斷)，這時(shí)開關(guān)管電壓下降(或上升)和電流下降(或上升)有一個(gè)交疊過(guò)程，從而導(dǎo)致管子在開關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生開關(guān)損耗，而且這種開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成正比?！　〖苫?、小型化和高頻化的發(fā)展迎來(lái)了軟開關(guān)技術(shù)——開關(guān)管在開啟或關(guān)斷的過(guò)程中，其電壓或電流為零，從而使開關(guān)過(guò)程中管子的損耗接近于零。軟開關(guān)技術(shù)的實(shí)質(zhì)是在硬開關(guān)上增加電感與電容構(gòu)成諧振電路。在開關(guān)換流時(shí)，利用電感與電流的諧振迫使開關(guān)上的電流或電壓下降為零?！　≤涢_關(guān)方式可劃分為ZVS工作方式和ZCS工作方式。ZVS工作方式是指利用諧振現(xiàn)象及有關(guān)器件的箝位作用，在變換器中開關(guān)管電壓在開啟或關(guān)斷過(guò)程中維持為零。ZCS工作方式是指利用諧振現(xiàn)象及有關(guān)器件的限流作用，在變換器中開關(guān)管電流在開啟或關(guān)斷過(guò)程中維持為零。前者又稱為零電壓開啟，后者稱為零電流關(guān)斷。直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)一般可分為：全諧振型變換器、準(zhǔn)諧振變換器和多諧振變換器、零開關(guān)PWM變換器、零轉(zhuǎn)換PWM變換器。 基本的直流變換器 把直流電壓降低為另一數(shù)值的直流電壓，最簡(jiǎn)單的辦法是串聯(lián)一個(gè)電阻，這樣不涉及變頻的問(wèn)題，顯得很簡(jiǎn)單，但是效率低。用一個(gè)半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，使帶有濾波器的負(fù)載線路與直流電壓一會(huì)接通，一會(huì)斷開，則負(fù)載上也得到另一個(gè)直流電壓，這就是DC/DC變換器的基本手段，類似于“斬波”作用。所以，DC/DC變換器，亦稱為直流斬波器，將一種幅值的直流電壓變換成另一幅值固定或大小可調(diào)的直流電壓的過(guò)程稱為直流直流電壓變換。它的基本原理是通過(guò)對(duì)電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到負(fù)載上，通過(guò)改變占空比D來(lái)改變輸出電壓的平均值。DC/DC可分成PWM式、諧振式和它們的結(jié)合式。每一種方式中從輸入與輸出之間是否有變壓器分為隔離與無(wú)隔離兩類。非隔離型中有六種拓?fù)?Buck降壓、Boost升壓、BuckBoost升降壓、Cuk、Sepie和Zeta變換器。隔離型包括正激、反激、推挽、半橋、全橋型變換器。下面就兩類中分別介紹幾種基本的變換器[8】。 非隔離型變換器 圖31中，Buck為降壓變換器。當(dāng)開關(guān)管S開通時(shí)，Ui通過(guò)S與L向電容C和負(fù)載R充電；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感L續(xù)流，逐漸降低，電容的電流將由正逐漸降為零，并變?yōu)樨?fù)向，向負(fù)載充電。直到開關(guān)管開通，電感L中的電流增加。圖3 1 Buck變換器拓?fù)? 圖22中，Boost為升壓變換器。當(dāng)開關(guān)管開通時(shí)，Ui通過(guò)L與S向電容C向R充電，電感L中的電流增加；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，Ui與L同時(shí)向負(fù)載R與電容C充電，電感L與D中的電流由最大值減小，如果減到零值，則為電流斷續(xù)工作方式，減到某一正值后上升，則為電流連續(xù)工作方式。圖3 2 Boost變換器拓?fù)?隔離型變換器 如圖23，半橋電路可以做為單相逆變器或直流變換器主電路拓?fù)?。半橋電路相?duì)于單端正激電路而言，開關(guān)管電壓應(yīng)力減小為輸入電壓Ui，變壓器磁芯利用率提高了一倍。但是，半橋電路的缺點(diǎn)是：Cl，C2電容電壓不對(duì)稱可能引起變壓器偏磁。圖3 3半橋電路 圖24，全橋電路的優(yōu)點(diǎn):(a) 主功率管電壓應(yīng)力較小，為輸入電壓； (b)相同的功率等級(jí)流過(guò)功率管的電流是半橋電路的一半； (c)變壓器磁芯利用率高。缺點(diǎn):(a) 開關(guān)管的壓降或驅(qū)動(dòng)脈沖的不對(duì)稱，會(huì)引起變壓器鐵心的偏磁；(b)相當(dāng)于兩個(gè)功率管串聯(lián)使用，導(dǎo)通損耗大；(c)存在功率管直通問(wèn)題。總之，全橋電路比較適用于高壓輸入的大功率場(chǎng)合[9]。圖3 4全橋電路 電力電子技術(shù)領(lǐng)域中，用于電路分析和仿真的軟件有Pspice、Multisim Matlab/Simulink、EWB、Protel、ORCAD、proteus等，下面就常用的Pspice、Multisim Matlab/Simulink這三種仿真軟件進(jìn)行介紹。 Pspice建模Pspice是一種功能強(qiáng)大的模擬電路和數(shù)字電路混合仿真軟件。它可以進(jìn)行各種各樣的電路仿真、激勵(lì)建立、溫度與噪聲分析、波形輸出、數(shù)據(jù)輸出，并在同一個(gè)窗口內(nèi)同時(shí)顯示模擬與數(shù)字的仿真結(jié)果。無(wú)論對(duì)哪種器件哪些電路進(jìn)行仿真，包括絕緣柵雙極晶體管、脈寬調(diào)制電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)/模轉(zhuǎn)換等，都可以得到精確的仿真結(jié)果，另外還可以自己編輯元器件。 Multisim建模 Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司推出的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。Multisim可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與虛擬實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)的電子電路設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法相比，具有如下特點(diǎn)：設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)可以同步進(jìn)行，可以邊設(shè)計(jì)邊實(shí)驗(yàn)，修改調(diào)試方便；設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)用的元器件與測(cè)試儀器儀表齊全，可以完成各種類型的電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)；可方便地對(duì)電路參數(shù)測(cè)試和分析；實(shí)驗(yàn)不消耗實(shí)際的電器件，實(shí)驗(yàn)所需的電器件的種類和數(shù)量不受限制，實(shí)驗(yàn)成本低，實(shí)驗(yàn)速度快，效率高；設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)成功的電路可以直接在產(chǎn)品中使用。 Matlab是國(guó)際上流行的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真軟件，基于Matlab平臺(tái)的Simulink是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真領(lǐng)域中最為著名的仿真集成環(huán)境之一，它在通信與衛(wèi)星系統(tǒng)、航天航空系統(tǒng)、生物系統(tǒng)、船舶系統(tǒng)、汽車系統(tǒng)、金融系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。利用Simulink進(jìn)行系統(tǒng)的建模，最大的優(yōu)點(diǎn)是易學(xué)、易用，并能依托Matlab提供豐富的仿真資源。Simulink有交互式、圖形化的建模環(huán)境、交互式的仿真環(huán)境、專用模塊庫(kù)。 而Power System Blockset工具箱是Matlab提供的對(duì)電路、電力電子、電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真的軟件工具包，建模時(shí)只需用鼠標(biāo)拖放不同模塊庫(kù)中的系統(tǒng)模塊并將它們連接起來(lái)，從而可以方便地對(duì)上面所述的升壓斬波器進(jìn)行仿真。 從上面的介紹中可以看出，對(duì)DC/DC變換器建模有不同的方法。Pspice模型是基于理想狀態(tài)下的建模，使仿真現(xiàn)實(shí)的真實(shí)度受到限制，我們?yōu)樘岣叻抡婺Ｐ偷恼鎸?shí)度，從建立更貼近于實(shí)際的模型入手，利用Multisim、Matlab/Simulink軟件對(duì)本文設(shè)計(jì)的DC/DC變換器進(jìn)行建模和分析[10]。4．2 超級(jí)電容的等效電路 如圖42 所示，超級(jí)電容可以等效為一個(gè)理想電容器C 和較小阻值的電阻（等效串聯(lián)阻抗）串聯(lián)，同時(shí)與一個(gè)較大阻值的電阻（等效并聯(lián)阻抗）并聯(lián)。通電狀態(tài)下， 通過(guò)并聯(lián)內(nèi)阻的放電電流稱為漏電流，它影響超級(jí)電容的長(zhǎng)期儲(chǔ)能性能，并聯(lián)內(nèi)阻通常很大，有幾十kΩ。采用大電流充電時(shí)，由于超級(jí)電容串聯(lián)等效電阻Res的存在， 會(huì)使超級(jí)圖42超級(jí)電容等效電路電容的充電效率一定程度的降低，因此需要考慮充電電流對(duì)超級(jí)電容的工作效率的影響，通常很小，一般只有幾Ω。 令充電時(shí)的功率P和電流I為負(fù)值， 放電時(shí)的功率P和電流I為正值。則超級(jí)電容端電壓： (1)超級(jí)電容充放電功率P： (2) 其中 ——超級(jí)電容端電壓；U——電容器電壓；——等效串聯(lián)內(nèi)阻上電壓；I——充放電電流。（1） 超級(jí)電容容量C 和實(shí)際儲(chǔ)存電量Q 超級(jí)電容容量C 與工作電流和工作溫度有關(guān)，即 （3）具體函數(shù)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，根據(jù)超級(jí)電容容量定義計(jì)算： (4）設(shè)第n 時(shí)刻超級(jí)電容儲(chǔ)存的電量為，則第n＋1時(shí)刻超級(jí)電容儲(chǔ)存的電量 （5）（2）超級(jí)電容工作電壓U、荷電狀態(tài)SOC 和超級(jí)電容輸出能量E設(shè)某時(shí)刻超級(jí)電容的工作電壓為，下一時(shí)刻為，則有 （6）超級(jí)電容在工作狀態(tài)中應(yīng)考慮工作壽命，故應(yīng)使其工作在合理的電壓范圍內(nèi)［],SOC 能反應(yīng)超級(jí)電容儲(chǔ)存電量的多少，即充放電的程度，其定義如下： （7）超級(jí)電容能量輸出為： （8）（3） 超級(jí)電容的等效內(nèi)阻和效率η超級(jí)電容的等效內(nèi)阻R0指的是超級(jí)電容的等效串聯(lián)阻抗。它與工作電流和工作溫度有關(guān)，即 （9）具體函數(shù)可以通過(guò)交流恒流充電法測(cè)得： （10）其中 ——交流充電時(shí)的壓降，——交流充電電流。超級(jí)電容的效率η 定義為充放電過(guò)程充電能量和放電能量之比，即： （11）其中 ——放電電流；——充電電流。充電效率定義為超級(jí)電容儲(chǔ)存能量與充入能量之比，即： （12）其中U、分別為超級(jí)電容充電時(shí)起始和截止電壓。放電效率定義為超級(jí)電容輸出能量與超級(jí)電容儲(chǔ)存能量之比，即： （13）其中、分別為超級(jí)電容放電時(shí)起始和截止電壓[11]。4．3超級(jí)電容的數(shù)學(xué)模型超級(jí)電容容量C： （14）超級(jí)電容儲(chǔ)存電量Q： （15）超級(jí)電容充放電功率P： （16）超級(jí)電容工作電壓U： （17）超級(jí)電容電池荷電狀態(tài)SOC： （18）超級(jí)電容輸出能量E： （19）超級(jí)電容等效內(nèi)阻R0 ： （20）超級(jí)電容效率： （21）充電效率： （22）放電效率： （23） 模型與仿真 模型 根據(jù)上面的數(shù)學(xué)模型，以某超級(jí)電容實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立超級(jí)電容的MATLAB ／ Simulink 模型。圖41超級(jí)電容的simulink 模型 如圖41所示，模型以充放電功率和溫度為輸入量，電壓、電流、SOC 值為輸出量。對(duì)該模型進(jìn)行等功率充放電仿真。 超級(jí)電容simulink 模型的仿真假定模型的工作溫度恒定在25℃，電容工作電壓上限為1．4V， 下限為0．8V，電容初始SOC 值為0．8，對(duì)模型輸入一個(gè)循環(huán)等功率充放電，如圖42所示。模型輸出的電壓值、SOC 值和電流值變化曲線如圖4圖44和圖45所示[12]。圖42循環(huán)等功率放電－充電曲線圖43電壓變化曲線圖44 SOC 值變化曲線圖45電流變化曲線圖42為超級(jí)電容的電壓變化曲線， 超級(jí)電容電壓隨著放電由初始的1．28V 降到了0．95V 左右，隨著充電的進(jìn)行，電壓逐漸回升，最后回到1．25 附近，電壓變化近似呈線性關(guān)系。由圖43可以看出，超級(jí)電容的SOC 值隨著放電下降，隨著充電上升，其近似于呈線性關(guān)系， SOC 由初始的0．8 降到0．25 左右，由于超級(jí)電容的內(nèi)阻存在阻耗，SOC 值最終回到0．75 附近。圖45為超級(jí)電容的電流變化曲線，隨著放電的進(jìn)行， SOC 值逐漸下降電壓降低， 由于是等功率充放電，所以放電時(shí)電流逐漸上升。充電時(shí)情況剛好相反，充電時(shí)隨著SOC 值上升電壓升高，電流逐漸減小，其具體變化如圖44所示，超級(jí)電容的電流變化近似呈線性關(guān)系[13]。 Boost電路的建模與仿真根據(jù)前面對(duì)仿真軟件的分析，分別用Multisim、Matlab/Simulink軟件對(duì)設(shè)計(jì)的Boost變換電路進(jìn)行建模和分析。 設(shè)置的仿真參數(shù)為：,開關(guān)管選為IGBT,型號(hào)為IRGBC30F，工作頻率，占空比，二極管為IN4007GB。在Multisim中建立的電路模型，如圖46： 圖46 Boost電路在Multisim中的仿真模型在輸入電壓為、100V、120V時(shí)，分別進(jìn)行仿真，通過(guò)示波器測(cè)試負(fù)載兩端的輸出電壓以及紋波電壓[14]。圖47 時(shí)的輸出電壓波形圖48 時(shí)的輸出電壓波形圖49 時(shí)的輸出電壓波形圖410 時(shí)的紋波電壓波形 圖411 時(shí)的紋波電壓波形圖412 時(shí)的紋波電壓波形 由圖4449可以看出，電池的輸出電壓得到了提高，在4ms后達(dá)到穩(wěn)定，維持在375V左右，達(dá)到了將85~120V的輸入電壓升壓為375V的輸出電壓的預(yù)期目標(biāo)。如圖441412所示，可以看出輸出電壓不僅穩(wěn)定在375V左右，而且紋波電壓也控制在4%以內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)[15]。. 利用Multisim軟件我們建立了與實(shí)際電路相仿的模型，并得到了初步的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。在傳統(tǒng)能源大量使用、能源危機(jī)日益顯現(xiàn)的時(shí)代，新能源的開發(fā)與利用顯得尤為重要。純電動(dòng)汽車系統(tǒng)以其高效潔凈無(wú)污染、功率密度大等特點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的青睞，有著廣闊的發(fā)展前景。 今年5月27日，國(guó)家電網(wǎng)公司在北京召開開放分布式電源并網(wǎng)工程、電動(dòng)汽車充換電站設(shè)施市場(chǎng)發(fā)布會(huì)。國(guó)網(wǎng)相關(guān)人士表示，國(guó)網(wǎng)將全面開放分布式電源并網(wǎng)工程，以及慢充、快充等各類電動(dòng)汽車充換電設(shè)施市場(chǎng)。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司《關(guān)于做好電動(dòng)汽車充換電設(shè)施用電報(bào)裝服務(wù)工作的意見》，對(duì)于個(gè)人自建充電樁，需要滿足個(gè)人有固定車位、小區(qū)物業(yè)同意等條件，自建充電樁享受5毛錢一度居民電價(jià)。這也意味著充電樁建設(shè)將放開，即國(guó)家電網(wǎng)公司明確支持社會(huì)資本參與慢充、快充等各類電動(dòng)汽車充換電設(shè)施市場(chǎng)。 按照國(guó)家規(guī)劃，2011年至2015年，電動(dòng)汽車充電站規(guī)模達(dá)到4000座，同步大力推廣建設(shè)充電樁；2016年至2020年，國(guó)網(wǎng)建設(shè)充電站目標(biāo)為1萬(wàn)座，建成完整的電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)。充電樁的廣泛建設(shè)使電動(dòng)汽車的續(xù)航能力得到加強(qiáng)，也就有了廣闊的市場(chǎng)前景，對(duì)電動(dòng)汽車的研究也就有了十分重要的意義。 超