超級(jí)電容作為一種雙電層電容，因其具有瞬時(shí)提供大功率、充放電速度快、使用壽命長(zhǎng)、工作環(huán)境溫度寬、充放電次數(shù)多等特性，已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)功率補(bǔ)償設(shè)備及混合動(dòng)力汽車(chē)中[1-3]。

　　由于在串聯(lián)過(guò)程中各單體間容量偏差、漏電流以及等效串聯(lián)電阻等因素對(duì)超級(jí)電容的影響不容忽視，不同單體會(huì)出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放等現(xiàn)象[4]。為了有效利用超級(jí)電容，需采用均衡電路的方法減小或消除單體的不均衡。

　　目前已有很多電壓均衡方法，主要分為兩大類：耗散型和非耗散型。耗散型[5]均衡方法包括并聯(lián)分流電阻法、并聯(lián)穩(wěn)壓二極管法。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)且無(wú)需控制；缺點(diǎn)是損耗大、效率低。非耗散型均衡方法優(yōu)點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換效率高、均衡速度快；缺點(diǎn)是由于加入了一些電子元器件，不僅增加了電路的復(fù)雜性，也使系統(tǒng)在控制上產(chǎn)生了一定難度。在眾多MIC方法中，反激式DC-DC變換器[6-8]因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而被廣泛使用。但開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力較高，硬開(kāi)關(guān)造成系統(tǒng)功率損耗增加。

　　本文采用一種新型有源鉗位反激式超級(jí)電容串聯(lián)儲(chǔ)能組均衡方法，有源鉗位拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)解決了開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力高、功率損耗大的問(wèn)題。

1 均衡器拓?fù)潆娐?/strong>

　　本文介紹的有源鉗位反激式電壓均衡器拓?fù)淙鐖D1所示。由鉗位電容Cc1和輔助開(kāi)關(guān)Sa構(gòu)成的有源鉗位電路與變壓器初級(jí)繞組相連。N個(gè)串聯(lián)超級(jí)電容單體分別與變壓器N個(gè)次級(jí)繞組相連，變壓器變比稍大于Vin/N。磁化電感Lm、漏電感Lr與鉗位電容Cc1實(shí)現(xiàn)諧振，主開(kāi)關(guān)為Sw，D1…DN為輸出整流二極管，Ca、Cw分別為開(kāi)關(guān)Sa、Sw的寄生電容。

2 均衡原理

　　本文介紹的有源鉗位反激式均衡器在一個(gè)工作周期內(nèi)分為6個(gè)工作模態(tài)。

　　模態(tài)Ⅰ(t0≤t<t1)：主開(kāi)關(guān)Sw導(dǎo)通、輔助開(kāi)關(guān)Sa關(guān)斷，如圖2(a)所示。電感電流iL流過(guò)變壓器初級(jí)繞組呈線性增長(zhǎng)，如圖3所示。由于變壓器次級(jí)繞組因整流二極管的存在而無(wú)電流流過(guò)，所以磁化能量?jī)?chǔ)存在電感Lm中。經(jīng)過(guò)旁路電流i2對(duì)超級(jí)電容串進(jìn)行充電，直到堆電壓與輸入電壓Vin相等時(shí)，停止充電。

　　模態(tài)Ⅱ(t1≤t<t2)：從t1時(shí)刻開(kāi)始主開(kāi)關(guān)Sw關(guān)斷，如圖2(b)所示。對(duì)主開(kāi)關(guān)Sw的寄生電容Cw進(jìn)行充電，輔助開(kāi)關(guān)Sa的寄生電容Ca通過(guò)電感Lm進(jìn)行放電。當(dāng)電容Ca放電完畢，即進(jìn)入模態(tài)Ⅲ。因Ca、Cw容值小，模態(tài)Ⅱ過(guò)程較為短暫。電感Lm、Lr使電流iL(t)增加，到t2時(shí)刻停止。電感電流iL(t)表達(dá)式如下：

　　模態(tài)Ⅲ(t2≤t<t3)：如圖2(c)所示。電感電流iL流過(guò)開(kāi)關(guān)Sa的體二極管。在模態(tài)Ⅱ結(jié)束時(shí)，開(kāi)關(guān)Sa的漏源電壓vsa_ds變?yōu)榱?，開(kāi)關(guān)Sa零電壓導(dǎo)通。因此，在電感電流iL變?yōu)榱阒埃_(kāi)關(guān)Sa需導(dǎo)通。漏電感Lr與鉗位電容Cc1開(kāi)始諧振。在模態(tài)Ⅲ到模態(tài)Ⅴ期間，二次側(cè)輸出電壓vL2因電感電流iL的減小而變?yōu)檎?，且每個(gè)變壓器二次側(cè)繞組輸出電壓均相等。因此電流從變壓器流向電壓最低單體，對(duì)其進(jìn)行充電。同時(shí)，因超級(jí)電容組電壓高于Vin，超級(jí)電容側(cè)有電流流向電壓源。

　　模態(tài)Ⅳ(t3≤t<t4)：如圖2(d)所示，在模態(tài)Ⅲ期間，開(kāi)關(guān)Sa導(dǎo)通，電感電流iL反向流動(dòng)。直到開(kāi)關(guān)Sa關(guān)斷或在釋放完電感中儲(chǔ)存的能量之后變壓器次級(jí)繞組電流變?yōu)榱銜r(shí)，諧振停止，如圖3所示。為實(shí)現(xiàn)ZVS，儲(chǔ)存在諧振電感Lr的能量需大于寄生電容Cw中的能量，表達(dá)式如下：

　　其中， vsw_ds(t4)為開(kāi)關(guān)Sw的瞬時(shí)電壓，iL(t4)為t4時(shí)刻流過(guò)變壓器初級(jí)繞組的瞬時(shí)電流。vsw_ds(t4)和iL(t4)滿足以下條件：

　　其中，D為開(kāi)關(guān)Sw的占空比，vL為變壓器初級(jí)繞組電感電壓。在t2時(shí)刻，通過(guò)式(1)可知，電感電流表達(dá)式如下：

　　其中，開(kāi)關(guān)關(guān)斷后，Lr、Cc1和Ca進(jìn)入諧振狀態(tài)。

　　模態(tài)Ⅴ(t4≤t<t5)：如圖2(e)所示，當(dāng)電感電流反向流動(dòng)時(shí)，開(kāi)關(guān)Sa關(guān)斷，對(duì)主開(kāi)關(guān)Sw的寄生電容Cw進(jìn)行充電，輔助開(kāi)關(guān)Sa的寄生電容Ca通過(guò)磁化電感電流iL進(jìn)行放電。因寄生電容Cw容值小，故該模態(tài)持續(xù)時(shí)間較短。

　　模態(tài)Ⅵ(t5≤t<t0)：當(dāng)寄生電容放電完畢時(shí)，電感電流流經(jīng)開(kāi)關(guān)Sw的體二極管。如圖2(f)所示。此時(shí)，開(kāi)關(guān)Sw零電壓開(kāi)通。為實(shí)現(xiàn)ZVS，電感電流iL變?yōu)檎蚯靶鑼?dǎo)通開(kāi)關(guān)。為將電容Cw的儲(chǔ)能完全釋放，模態(tài)Ⅴ、模態(tài)Ⅵ的持續(xù)時(shí)間td需要滿足下式：

　　如果td過(guò)短，模態(tài)Ⅵ便會(huì)消失，導(dǎo)致不能實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)。如圖3所示，在vsw_gs變高之前，電壓vsw_ds變?yōu)榱悖瑢?shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)。當(dāng)vsw_ds變?yōu)閂in-vL時(shí)，鉗位電容Cc1吸收電感電流iL。由于電感電流流進(jìn)鉗位電容中，開(kāi)關(guān)Sw不會(huì)出現(xiàn)浪涌電壓。

3 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　各個(gè)元器件參數(shù)如下：磁芯PC40、Lr=5.6 μH、Lm=5.6 μH、Sw、Sa為IRF 540，Ron=77 mΩ、Cw=Ca=50 pF、Cc1=0.11 μF、D1～D3為肖特基二極管，TO220，VD=0.36 V。電容單體容量為300 F，額定電壓為2.7 V。變壓器變比設(shè)置為12:5，工作頻率和占空比分別固定為60 kHz和34%，Vin設(shè)置為9 V。

　　實(shí)驗(yàn)時(shí)3個(gè)超級(jí)電容的初始電壓分別為1.53 V、1.8 V、2.48 V。圖4給出了按照實(shí)驗(yàn)參數(shù)仿真得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出大約在38 min時(shí)，3個(gè)超級(jí)電容的電壓相等，約為1.9 V。

　　圖5給出了工作過(guò)程主要波形。圖5(a)為驅(qū)動(dòng)電壓波形vsw_gs，圖5(b)為電感電流波形。當(dāng)主開(kāi)關(guān)管Sw導(dǎo)通時(shí)，電感電流呈線性增加；Sw關(guān)斷時(shí)，電感電流流過(guò)鉗位電容Cc1，此時(shí)Cc1與漏感Lr開(kāi)始諧振。

　　圖6為傳統(tǒng)型與有源鉗位式均衡過(guò)程的損耗分析仿真圖。仿真過(guò)程采用3個(gè)額定容量為47 F的雙電層電容，電壓分別為3.4 V、2.2 V、3.4 V。由圖6可知，本文介紹的有源鉗位式均衡單體電壓比傳統(tǒng)型電壓高很多，因此能量損耗相對(duì)小很多。對(duì)比250 s～300 s的電壓曲線斜率對(duì)比也可以看出，斜率越大，損耗越大。

　　本文介紹了一種帶有源鉗位的反激式電壓均衡器。與傳統(tǒng)反激式方案相比，采用有源鉗位電路的結(jié)構(gòu)大大降低了開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力并實(shí)現(xiàn)了ZVS。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，該方案與傳統(tǒng)方案相比大大減小了能量損耗。

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