提出一種諧振型高壓側(cè)調(diào)制的電流型雙向變換器 并介紹其優(yōu)點(diǎn)

電力電子節(jié)能與傳動控制河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（燕山大學(xué)）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(xué)報(bào)》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(shí)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(jìn)行詳細(xì)的特性分析和設(shè)計(jì)，最后建立一臺400W的樣機(jī)并進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提電路拓?fù)浼翱刂撇呗缘膬?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(shí)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(yán)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(xué)者們提出了許多的改進(jìn)拓?fù)浜涂刂品桨?。文獻(xiàn)[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(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓開通（Zero VoltageSwitching, ZVS）。文獻(xiàn)[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(xiàn)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(xiàn)[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(shí)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(dāng)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(shí)現(xiàn)正反向的平滑切換。

文獻(xiàn)[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(shí)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(diǎn)，既實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該直流變換器有如下優(yōu)點(diǎn)：

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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)全功率范圍的ZVS。