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学术简报︱一种电流型高增益双向DC-DC变换器

发布时间:2019-12-21 16:08    点击次数:131次   

  电力电子节能与传动控制河北省重点实验室(燕山大学)的研究人员齐磊、杨亚永、孙孝峰、李昕,在2019年第18期《电工技术学报》上撰文指出,高增益双向DC-DC变换器作为连接低压储能单元和中压直流母线的纽带,在分布式发电系统中起着重要作用。

  为了减小变换器低压侧的电流纹波,进一步提高变换器增益,该文提出一种电流型高增益双向DC-DC变换器。该变换器在低压侧全桥电路的两个桥臂中点连接两个Boost输入电感,两个Boost电感交错工作,可显著减小低压侧电流纹波并提高电压增益。

  并且该变换器在低压侧加入了LLC谐振网络,控制开关频率小于LLC的谐振频率,在提高电压增益的同时,可实现低压侧所有开关管的零电压开通(ZVS)。变换器高压侧为两开关倍压整流电路,利用变压器漏感Lk和谐振电容Ck谐振,可实现高压侧开关管的零电压开通(ZVS)和零电流关断(ZCS),减小了开关管导通损耗,提高了变换器效率并进一步增大了变换器增益。

  搭建600W基于脉冲宽度调制(PWM)+脉冲频率调制(PFM)控制的电流型高增益双向DC-DC变换器实验样机,通过对样机进行正向和反向工作实验,验证了变换器的可行性与实用性。

  环境污染与能源危机使可再生能源愈发受到关注。由于新能源的间歇性和随机性,分布式发电系统需要储能单元的配合才能具有稳定输出。但是,系统中低压储能单元与中压直流母线的电压等级差距一般较大。因此,需要一种高增益双向DC-DC变换器作为其接口电路。其中,隔离型高增益双向DC-DC变换器以其电气隔离,易于高频化、小型化,易于实现软开关等优势而得到应用广泛。

  在众多电压型高增益双向DC-DC变换器中,双有源桥变换器得到了广泛的研究。全桥型双有源桥变换器是由一个变压器连接的两个全桥电路,在变压器的一侧串联一个电感Lp,通过控制双有源桥变换器的桥间移相角来改变变换器的功率传输方向,控制桥内移相角保证开关管实现零电压开通(Zero Voltage Switch, ZVS)。但变换器工作在轻载条件时,高压侧开关管不能实现ZVS,严重影响变换器的效率。

  有学者在传统电压型双有源桥拓扑的基础上进行改进,在变压器的高压侧增加一个中心抽头,通过电感LH与电容桥臂中点相连。改变高压侧桥内移相角就可以在全负载范围内实现开关管的ZVS,相对于传统双有源桥,其电压增益也提升了两倍。但是,当变换器低压侧电压波动范围较宽时,改进型双有源桥变换器并不能在全功率范围内实现ZVS。

  有学者在电压型全桥双向变换器中加入了LLC谐振网络,该电路可在全负载范围内实现开关管的零电压开通和零电流关断(Zero Current Switch, ZCS)。

  有学者为了使电压型变换器正反向工作时的电路形式相同,在二次侧加入了辅助电感,该改进措施可使电路对称,且易于实现软开关。以上方案所提出的变换器均具有良好的特性,但是,该电压型变换器在低压大电流输入的场合下,低压侧电流纹波较大,变换器效率会变低。

  据此,有学者提出了一种电流型Boost半桥双向隔离变换器,高压侧为倍压整流电路,有效提高了变换器的电压增益,但是当变换器工作在较轻负载时难以实现开关管的ZVS。

  针对这个问题,有学者提出了一种新型的电流型半桥双向隔离DC-DC变换器。通过在变换器高压侧串联电感,采用移相控制调节高压侧的电感电流,实现了变换器全功率范围内的ZVS。

  有学者中的两电感电流型双向变换器,在低压大电流输入时,不仅低压侧电流纹波小、开关导通损耗低,而且可以实现较高的电压增益。

  然而,当变换器工作在正向升压模式时,低压侧开关管关断过程中会由于变压器漏感而产生较大的关断尖峰,不利于开关管的正常运行。对于开关管关断尖峰问题,一般采用有源钳位电路或者RCD缓冲电路来抑制关断尖峰。

  值得注意的是,有源钳位会增加开关管的个数,提高电路复杂性,同时剩余电流装置(Residual Current Device, RCD)电路会消耗一部分功率,降低了变换器的传输效率。

  据此,有学者提出一种新型高变换比双向DC-DC变换器,该变换器具有电压变换比高、低压侧电流纹波小等优势,但该变换器低压侧开关管不能全部实现ZVS,导致部分开关管电压应力较大。

  针对高增益双向变换器存在的上述问题,为了减小变换器低压侧电流纹波,进一步提高变换器增益,本文提出一种电流型高增益双向DC-DC变换器。通过在低压侧全桥电路两个桥臂中点加入两个交错工作的Boost输入电感,提高了变换器电压增益且减小了低压侧电流的纹波。

  并且该变换器在低压侧加入了LLC谐振网络,控制开关频率小于LLC的谐振频率,可实现低压侧所有开关管的ZVS开通。变换器高压侧是倍压整流电路,进一步增大了变换器增益;利用变压器漏感Lk和谐振电容Ck谐振,为高压侧开关管创造了ZCS关断的条件。

  该变换器采用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)+脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation, PFM)控制策略,可保证低压侧开关管实现ZVS,高压侧开关管实现ZVS、ZCS,减小了开关损耗。因此,该变换器具有高增益、电流纹波小、效率高等优势,适用于作为新能源发电系统的电力电子接口。

  为了减小高增益双向DC-DC变换器低压侧的电流纹波,进一步提高变换器增益,本文提出了一种电流型高增益双向DC-DC变换器,提出的变换器具有以下优势:返回搜狐,查看更多

  1)该变换器在低压侧全桥电路的两个桥臂中点连接两个交错工作的Boost输入电感,可增大变换器增益并减小低压侧电流纹波并提高电压增益。

  2)该变换器在低压侧加入了LLC谐振网络,控制开关频率小于LLC的谐振频率,在提高电压增益的同时,可实现了低压侧所有开关管的ZVS。

  3)变换器高压侧为倍压整流电路,在原有基础上进一步提高了电压增益,且利用变压器漏感Lk和谐振电容Ck谐振,可实现高压侧开关管的ZVS和ZCS,减小了开关管导通损耗,提高了变换器效率。该变换器具有高增益、低压侧电流纹波小、效率高等优势,适于作为新能源发电系统的电力电子接口。


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