一種諧振型高壓側(cè)調(diào)制的電流型雙向變換器
電力電子節(jié)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(shù)學報》上撰文
電力電子節(jié)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(shù)學報》上撰文,針對傳統(tǒng)電流型變換器存在的關(guān)斷電壓尖峰問題和硬開關(guān)現(xiàn)象,提出一種諧振型高壓側(cè)調(diào)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(cè)調(diào)制策略,可以實現(xiàn)低壓側(cè)開關(guān)管的自然換流和零電流關(guān)斷(ZCS),消除了低壓側(cè)開關(guān)管關(guān)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(shè)計,最后建立一臺400W的樣機并進行了測試。實驗結(jié)果驗證了所提電路拓撲及控制策略的優(yōu)勢與可行性。
在新能源應(yīng)用中,儲能系統(tǒng)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(xiàn)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(jié)構(gòu)簡單[5]、低壓側(cè)電流紋波小、開關(guān)導(dǎo)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(yīng)用場合。傳統(tǒng)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(cè)開關(guān)管關(guān)斷時刻會產(chǎn)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(guān)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(guān)斷電壓尖峰問題,實現(xiàn)了開關(guān)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(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢,關(guān)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?qū)崿F(xiàn)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(cè)調(diào)制方案,可以實現(xiàn)低壓側(cè)開關(guān)管自然換流和零電流關(guān)斷(Zero CurrentSwitching, ZCS),消除了關(guān)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(cè)當作倍流電路使用,并加入了同步整流技術(shù);但由于兩種模式的調(diào)制方法不同,因此無法實現(xiàn)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(cè)開關(guān)管的寄生電容諧振,實現(xiàn)低壓側(cè)開關(guān)管的ZVS;但是低壓側(cè)開關(guān)管仍舊存在3倍以上的關(guān)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(cè)調(diào)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(cè)調(diào)制策略。該方案結(jié)合了上述兩種方案的優(yōu)點,既實現(xiàn)了正向工作和反向工作的平滑切換,又通過高壓側(cè)調(diào)制策略和諧振控制,實現(xiàn)低壓側(cè)開關(guān)管的ZCS和ZVS,將低壓側(cè)開關(guān)管的關(guān)斷電壓峰值限制為變壓器一次電壓的2倍,消除了關(guān)斷電壓尖峰;同時,高壓側(cè)開關(guān)管也可以在全功率范圍內(nèi)實現(xiàn)ZVS。
圖1 電流型雙向直流變換器電路

結(jié)論
本文提出了一種諧振型高壓側(cè)調(diào)制雙向直流變換器,通過理論分析和實驗驗證,該直流變換器有如下優(yōu)點:
1)通過控制占空比和頻率,能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動和高電壓增益。
2)低壓側(cè)開關(guān)管實現(xiàn)了開關(guān)管的自然換流和ZCS。
3)通過引入諧振控制,消除了低壓側(cè)開關(guān)管關(guān)斷電壓尖峰,實現(xiàn)了低壓側(cè)開關(guān)管的ZVS。
4)由于高壓側(cè)開關(guān)管的ZVS,電流與電路的功率無關(guān),所以高壓側(cè)開關(guān)管可以實現(xiàn)全功率范圍的ZVS。

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