现代有轨电车混合动力技术及双向DC/DC变流器拓扑结构选择

双向DC/DC变流器主要可以分为两类：变压器隔离型双向DC/DC变流器和非隔离型双向DC/DC变流器。其中隔离型双向DC/DC变流器是在非隔离型双向变流器中插入高频变压器，构成隔离型拓扑，变压器的原副边可以由全桥、半桥、推挽等电路拓扑构成。

隔离型双向DC/DC变流器拓扑主要有双反激拓扑、双推挽拓扑、双半桥拓扑、双全桥拓扑。

典型非隔离型的单向DC/DC变流器有六种基本拓扑：BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、CUK、SEPIC、ZETA，把它们当中的二极管替换为开关，可以组成五种双向DC/DC变流器拓扑结构（BUCK和BOOST替换后为同一种拓扑）。

混合动力有轨电车选用超级电容和动力电池构成复合电源，从超级电容储能体积及成本上考虑，其端电压值一般低于电机驱动逆变器的工作电压。要求双向DC/DC变流器在正向工作时具有升压斩波能力，在电机处于再生发电状态时，通过降压电路将制动回馈能量转换为电能储存在超级电容中。根据此条件，所用的双向DC/DC变流器仅需单方向工作时具有一种变换功能即可。

隔离型与非隔离型变流器都能满足以上要求，但是隔离型变流器的控制方式和结构都比较复杂，所用的元器件数量和种类比较多，功率密度和性价比都不太高，体积也无法得到最优化，所以应从非隔离型变流器中选择适合的拓扑结构。

考虑到实际应用中功能的需要，结合结构和操作简单的原则，选择了如图5-19所示的双向DC/DC变流器。其中左端是低压端，接动力电池或超级电容等储能装置；右端是高压端，接直流母线。当储能装置放电时，DC/DC变流器升压，将电压从低压端U₁升压至高压端U₂，此时储能装置向负载传送其功率；当车辆进行能量回馈时，DC/DC变流器降压，将电压从高压端U₂降至低压端U₁，以便使储能装置吸收回馈的能量。

变流器正向工作时，G₁作为PWM开关管工作，G₂截止，储能电感L、开关管G₁、二极管D₁、D₂、滤波电容C₂，组成一个Boost电路，其等效电路如图5-20所示。

图5-19 双向DC/DC变流器拓扑

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图5-20 正向Boost电路

在实际应用中，开关频率比较高，所以这里只考虑电感电流连续的情况。设一个周期内开关的开通时间为t_on=DT，关断时间为t_off=（1-D）T，那么输入与输出电压的关系为：，根据输入电压U₁，调节占空比D，就可以得到期望的输出电压U₂且U₂＞U₁，所以达到了电源放电时升压的目的。

变流器反向工作时，G₂作为PWM开关管工作，G₁截止，储能电感L、开关管G₂、二极管D₁、D₂、滤波电容C₁，组成一个Buck电路，其等效电路如图5-21所示。

图5-21 反向Buck电路

图5-22 电源系统结构

设一个周期内开关的开通时间为t_on=DT，关断时间为t_off=（1-D）T，那么输入与输出电压的关系为：U₁=DU₂，根据输入电压U₂，调节占空比D，就可以得到期望的输出电压U₁且U₁＜U₂，所以达到了给电源充电时降压的目的。