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  • 頭條一種電流型高增益雙向DC-DC變換器
    2021-01-04 作者:齊磊 楊亞永 等  |  來(lái)源:《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》  |  點(diǎn)擊率:
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    導(dǎo)語(yǔ)電力電子節(jié)能與傳動(dòng)控制河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(燕山大學(xué))的研究人員齊磊、楊亞永、孫孝峰、李昕,在2019年第18期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出,高增益雙向DC-DC變換器作為連接低壓儲(chǔ)能單元和中壓直流母線的紐帶,在分布式發(fā)電系統(tǒng)中起著重要作用。 為了減小變換器低壓側(cè)的電流紋波,進(jìn)一步提高變換器增益,該文提出一種電流型高增益雙向DC-DC變換器。該變換器在低壓側(cè)全橋電路的兩個(gè)橋臂中點(diǎn)連接兩個(gè)Boost輸入電感,兩個(gè)Boost電感交錯(cuò)工作,可顯著減小低壓側(cè)電流紋波并提高電壓增益。 并且該變換器在低壓側(cè)加入了LLC諧振網(wǎng)絡(luò),控制開(kāi)關(guān)頻率小于LLC的諧振頻率,在提高電壓增益的同時(shí),可實(shí)現(xiàn)低壓側(cè)所有開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通(ZVS)。變換器高壓側(cè)為兩開(kāi)關(guān)倍壓整流電路,利用變壓器漏感Lk和諧振電容Ck諧振,可實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通(ZVS)和零電流關(guān)斷(ZCS),減小了開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通損耗,提高了變換器效率并進(jìn)一步增大了變換器增益。 搭建600W基于脈沖寬度調(diào)制(PWM)+脈沖頻率調(diào)制(PFM)控制的電流型高增益雙向DC-DC變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī),通過(guò)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行正向和反向工作實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了變換器的可行性與實(shí)用性。

    環(huán)境污染與能源危機(jī)使可再生能源愈發(fā)受到關(guān)注。由于新能源的間歇性和隨機(jī)性,分布式發(fā)電系統(tǒng)需要儲(chǔ)能單元的配合才能具有穩(wěn)定輸出。但是,系統(tǒng)中低壓儲(chǔ)能單元與中壓直流母線的電壓等級(jí)差距一般較大。因此,需要一種高增益雙向DC-DC變換器作為其接口電路。其中,隔離型高增益雙向DC-DC變換器以其電氣隔離,易于高頻化、小型化,易于實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)等優(yōu)勢(shì)而得到應(yīng)用廣泛。

    在眾多電壓型高增益雙向DC-DC變換器中,雙有源橋變換器得到了廣泛的研究。全橋型雙有源橋變換器是由一個(gè)變壓器連接的兩個(gè)全橋電路,在變壓器的一側(cè)串聯(lián)一個(gè)電感Lp,通過(guò)控制雙有源橋變換器的橋間移相角來(lái)改變變換器的功率傳輸方向,控制橋內(nèi)移相角保證開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通(Zero Voltage Switch, ZVS)。但變換器工作在輕載條件時(shí),高壓側(cè)開(kāi)關(guān)管不能實(shí)現(xiàn)ZVS,嚴(yán)重影響變換器的效率。

    有學(xué)者在傳統(tǒng)電壓型雙有源橋拓?fù)涞幕A(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),在變壓器的高壓側(cè)增加一個(gè)中心抽頭,通過(guò)電感LH與電容橋臂中點(diǎn)相連。改變高壓側(cè)橋內(nèi)移相角就可以在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的ZVS,相對(duì)于傳統(tǒng)雙有源橋,其電壓增益也提升了兩倍。但是,當(dāng)變換器低壓側(cè)電壓波動(dòng)范圍較寬時(shí),改進(jìn)型雙有源橋變換器并不能在全功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS。

    與此同時(shí),以LLC諧振型變換器為基礎(chǔ)的電壓型高增益雙向DC-DC變換器也受到了廣泛的關(guān)注。

    • 有學(xué)者在電壓型全橋雙向變換器中加入了LLC諧振網(wǎng)絡(luò),該電路可在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通和零電流關(guān)斷(Zero Current Switch, ZCS)。
    • 有學(xué)者為了使電壓型變換器正反向工作時(shí)的電路形式相同,在二次側(cè)加入了輔助電感,該改進(jìn)措施可使電路對(duì)稱,且易于實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。以上方案所提出的變換器均具有良好的特性,但是,該電壓型變換器在低壓大電流輸入的場(chǎng)合下,低壓側(cè)電流紋波較大,變換器效率會(huì)變低。
    • 據(jù)此,有學(xué)者提出了一種電流型Boost半橋雙向隔離變換器,高壓側(cè)為倍壓整流電路,有效提高了變換器的電壓增益,但是當(dāng)變換器工作在較輕負(fù)載時(shí)難以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的ZVS。
    • 針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,有學(xué)者提出了一種新型的電流型半橋雙向隔離DC-DC變換器。通過(guò)在變換器高壓側(cè)串聯(lián)電感,采用移相控制調(diào)節(jié)高壓側(cè)的電感電流,實(shí)現(xiàn)了變換器全功率范圍內(nèi)的ZVS。
    • 有學(xué)者中的兩電感電流型雙向變換器,在低壓大電流輸入時(shí),不僅低壓側(cè)電流紋波小、開(kāi)關(guān)導(dǎo)通損耗低,而且可以實(shí)現(xiàn)較高的電壓增益。

    然而,當(dāng)變換器工作在正向升壓模式時(shí),低壓側(cè)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷過(guò)程中會(huì)由于變壓器漏感而產(chǎn)生較大的關(guān)斷尖峰,不利于開(kāi)關(guān)管的正常運(yùn)行。對(duì)于開(kāi)關(guān)管關(guān)斷尖峰問(wèn)題,一般采用有源鉗位電路或者RCD緩沖電路來(lái)抑制關(guān)斷尖峰。

    值得注意的是,有源鉗位會(huì)增加開(kāi)關(guān)管的個(gè)數(shù),提高電路復(fù)雜性,同時(shí)剩余電流裝置(Residual Current Device, RCD)電路會(huì)消耗一部分功率,降低了變換器的傳輸效率。

    據(jù)此,有學(xué)者提出一種新型高變換比雙向DC-DC變換器,該變換器具有電壓變換比高、低壓側(cè)電流紋波小等優(yōu)勢(shì),但該變換器低壓側(cè)開(kāi)關(guān)管不能全部實(shí)現(xiàn)ZVS,導(dǎo)致部分開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力較大。

    針對(duì)高增益雙向變換器存在的上述問(wèn)題,為了減小變換器低壓側(cè)電流紋波,進(jìn)一步提高變換器增益,本文提出一種電流型高增益雙向DC-DC變換器。通過(guò)在低壓側(cè)全橋電路兩個(gè)橋臂中點(diǎn)加入兩個(gè)交錯(cuò)工作的Boost輸入電感,提高了變換器電壓增益且減小了低壓側(cè)電流的紋波。

    并且該變換器在低壓側(cè)加入了LLC諧振網(wǎng)絡(luò),控制開(kāi)關(guān)頻率小于LLC的諧振頻率,可實(shí)現(xiàn)低壓側(cè)所有開(kāi)關(guān)管的ZVS開(kāi)通。變換器高壓側(cè)是倍壓整流電路,進(jìn)一步增大了變換器增益;利用變壓器漏感Lk和諧振電容Ck諧振,為高壓側(cè)開(kāi)關(guān)管創(chuàng)造了ZCS關(guān)斷的條件。

    該變換器采用脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)+脈沖頻率調(diào)制(Pulse Frequency Modulation, PFM)控制策略,可保證低壓側(cè)開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS,高壓側(cè)開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS,減小了開(kāi)關(guān)損耗。因此,該變換器具有高增益、電流紋波小、效率高等優(yōu)勢(shì),適用于作為新能源發(fā)電系統(tǒng)的電力電子接口。

    學(xué)術(shù)簡(jiǎn)報(bào)︱一種電流型高增益雙向DC-DC變換器

    圖1 電流型雙向直流變換器電路拓?fù)?/p>

    結(jié)論

    為了減小高增益雙向DC-DC變換器低壓側(cè)的電流紋波,進(jìn)一步提高變換器增益,本文提出了一種電流型高增益雙向DC-DC變換器,提出的變換器具有以下優(yōu)勢(shì):

    • 1)該變換器在低壓側(cè)全橋電路的兩個(gè)橋臂中點(diǎn)連接兩個(gè)交錯(cuò)工作的Boost輸入電感,可增大變換器增益并減小低壓側(cè)電流紋波并提高電壓增益。
    • 2)該變換器在低壓側(cè)加入了LLC諧振網(wǎng)絡(luò),控制開(kāi)關(guān)頻率小于LLC的諧振頻率,在提高電壓增益的同時(shí),可實(shí)現(xiàn)了低壓側(cè)所有開(kāi)關(guān)管的ZVS。
    • 3)變換器高壓側(cè)為倍壓整流電路,在原有基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了電壓增益,且利用變壓器漏感Lk和諧振電容Ck諧振,可實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)開(kāi)關(guān)管的ZVS和ZCS,減小了開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通損耗,提高了變換器效率。該變換器具有高增益、低壓側(cè)電流紋波小、效率高等優(yōu)勢(shì),適于作為新能源發(fā)電系統(tǒng)的電力電子接口。
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