提出一种谐振型高压侧调制的电流型双向变换器 并介绍其优点

发表于 2018-01-22 13:54:30 收藏 已收藏
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提出一种谐振型高压侧调制的电流型双向变换器 并介绍其优点

发表于 2018-01-22 13:54:30

电力电子节能与传动控制河北省重点实验室(燕山大学)的研究人员孙孝峰、潘尧、沈虹、申彦峰、李昕,在2017年第24期《电工技术学报》上撰文,针对传统电流型变换器存在的关断电压尖峰问题和硬开关现象,提出一种谐振型高压侧调制的电流型双向直流变换器。

该变换器通过引入变频控制和高压侧调制策略,可以实现低压侧开关管的自然换流和零电流关断(ZCS),消除了低压侧开关管关断电压尖峰。首先分析电路的正向工作和反向工作模式的工作原理,然后对变换器进行详细的特性分析和设计,最后建立一台400W的样机并进行了测试。实验结果验证了所提电路拓扑及控制策略的优势与可行性。

在新能源应用中,储能系统必不可少。储能元件(蓄电池和超级电容)和高压母线之间需要一种双向变换器实现能量交换[1,2]。相比于电压型变换器,电流型变换器可以减小电流纹波,延长蓄电池的使用寿命[3],获得更好的性能[4]。因此,需要一种电流型双向变换器作为储能元件与高压母线的接口电路。

电流型双向直流变换器具有结构简单[5]、低压侧电流纹波小、开关导通损耗低、高电压增益[6]、变压器利用率高等特性,适于低压大电流的应用场合。传统电流型直流变换器在工作模式时,由于变压器存在漏感,低压侧开关管关断时刻会产生严重的电压尖峰,这极大地限制了变换器的功率等级和开关频率[7]。

针对上述问题,学者们提出了许多的改进拓扑和控制方案。文献[8-10]中引入了有源钳位电路来解决关断电压尖峰问题,实现了开关管的零电压开通(Zero VoltageSwitching, ZVS)。文献[11,12]采用了变频控制,保持了电流型两电感变换器结构简单的优势,关断电压尖峰虽然得到抑制,但是电压峰值仍旧保持在变压器一次电压3倍以上。同时上述文献中的方案均为单向升压模式,不能够实现能量的双向流动。

文献[13]中提出了一种双向控制方案:正向工作模式中,采用定频PWM控制,并加入了高压侧调制方案,可以实现低压侧开关管自然换流和零电流关断(Zero CurrentSwitching, ZCS),消除了关断电压尖峰;反向工作模式中,变换器采用了变频控制,将低压侧当作倍流电路使用,并加入了同步整流技术;但由于两种模式的调制方法不同,因此无法实现正反向的平滑切换。

文献[14]中提出了一种双向变频控制方案:正向工作模式和反向工作模式都采用变频控制,利用变压器漏电感和低压侧开关管的寄生电容谐振,实现低压侧开关管的ZVS;但是低压侧开关管仍旧存在3倍以上的关断电压峰值,并且电压峰值会随着功率的增大而增大。

本文提出了一种谐振型高压侧调制的电流型双向直流变换器,控制方案为变频控制加高压侧调制策略。该方案结合了上述两种方案的优点,既实现了正向工作和反向工作的平滑切换,又通过高压侧调制策略和谐振控制,实现低压侧开关管的ZCS和ZVS,将低压侧开关管的关断电压峰值限制为变压器一次电压的2倍,消除了关断电压尖峰;同时,高压侧开关管也可以在全功率范围内实现ZVS。

图1 电流型双向直流变换器电路

提出一种谐振型高压侧调制的电流型双向变换器 并介绍其优点

结论

本文提出了一种谐振型高压侧调制双向直流变换器,通过理论分析和实验验证,该直流变换器有如下优点:

1)通过控制占空比和频率,能够实现能量的双向流动和高电压增益。

2)低压侧开关管实现了开关管的自然换流和ZCS。

3)通过引入谐振控制,消除了低压侧开关管关断电压尖峰,实现了低压侧开关管的ZVS。

4)由于高压侧开关管的ZVS,电流与电路的功率无关,所以高压侧开关管可以实现全功率范围的ZVS。

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