一種諧振型高壓側調制的電流型雙向變換器

2018-01-22 12:26:19 分布式發電與微電網　點擊量：評論 (0)

電力電子節能與傳動控制河北省重點實驗室（燕山大學）的研究人員孫孝峰、潘堯、沈虹、申彥峰、李昕，在2017年第24期《電工技術學報》上撰文

電力電子節能與傳動控制河北省重點實驗室（燕山大學）的研究人員孫孝峰、潘堯、沈虹、申彥峰、李昕，在2017年第24期《電工技術學報》上撰文，針對傳統電流型變換器存在的關斷電壓尖峰問題和硬開關現象，提出一種諧振型高壓側調制的電流型雙向直流變換器。

該變換器通過引入變頻控制和高壓側調制策略，可以實現低壓側開關管的自然換流和零電流關斷（ZCS），消除了低壓側開關管關斷電壓尖峰。首先分析電路的正向工作和反向工作模式的工作原理，然后對變換器進行詳細的特性分析和設計，最后建立一臺400W的樣機并進行了測試。實驗結果驗證了所提電路拓撲及控制策略的優勢與可行性。

在新能源應用中，儲能系統必不可少。儲能元件（蓄電池和超級電容）和高壓母線之間需要一種雙向變換器實現能量交換[1,2]。相比于電壓型變換器，電流型變換器可以減小電流紋波，延長蓄電池的使用壽命[3]，獲得更好的性能[4]。因此，需要一種電流型雙向變換器作為儲能元件與高壓母線的接口電路。

電流型雙向直流變換器具有結構簡單[5]、低壓側電流紋波小、開關導通損耗低、高電壓增益[6]、變壓器利用率高等特性，適于低壓大電流的應用場合。傳統電流型直流變換器在工作模式時，由于變壓器存在漏感，低壓側開關管關斷時刻會產生嚴重的電壓尖峰，這極大地限制了變換器的功率等級和開關頻率[7]。

針對上述問題，學者們提出了許多的改進拓撲和控制方案。文獻[8-10]中引入了有源鉗位電路來解決關斷電壓尖峰問題，實現了開關管的零電壓開通（Zero VoltageSwitching, ZVS）。文獻[11,12]采用了變頻控制，保持了電流型兩電感變換器結構簡單的優勢，關斷電壓尖峰雖然得到抑制，但是電壓峰值仍舊保持在變壓器一次電壓3倍以上。同時上述文獻中的方案均為單向升壓模式，不能夠實現能量的雙向流動。

文獻[13]中提出了一種雙向控制方案：正向工作模式中，采用定頻PWM控制，并加入了高壓側調制方案，可以實現低壓側開關管自然換流和零電流關斷（Zero CurrentSwitching, ZCS），消除了關斷電壓尖峰；反向工作模式中，變換器采用了變頻控制，將低壓側當作倍流電路使用，并加入了同步整流技術；但由于兩種模式的調制方法不同，因此無法實現正反向的平滑切換。

文獻[14]中提出了一種雙向變頻控制方案：正向工作模式和反向工作模式都采用變頻控制，利用變壓器漏電感和低壓側開關管的寄生電容諧振，實現低壓側開關管的ZVS；但是低壓側開關管仍舊存在3倍以上的關斷電壓峰值，并且電壓峰值會隨著功率的增大而增大。

本文提出了一種諧振型高壓側調制的電流型雙向直流變換器，控制方案為變頻控制加高壓側調制策略。該方案結合了上述兩種方案的優點，既實現了正向工作和反向工作的平滑切換，又通過高壓側調制策略和諧振控制，實現低壓側開關管的ZCS和ZVS，將低壓側開關管的關斷電壓峰值限制為變壓器一次電壓的2倍，消除了關斷電壓尖峰；同時，高壓側開關管也可以在全功率范圍內實現ZVS。

圖1 電流型雙向直流變換器電路