- 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 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語電力電子節能與傳動控制河北省重點實驗室（燕山大學）的研究人員齊磊、楊亞永、孫孝峰、李昕，在2019年第18期《電工技術學報》上撰文指出，高增益雙向DC-DC變換器作為連接低壓儲能單元和中壓直流母線的紐帶，在分布式發電系統中起著重要作用。 為了減小變換器低壓側的電流紋波，進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。該變換器在低壓側全橋電路的兩個橋臂中點連接兩個Boost輸入電感，兩個Boost電感交錯工作，可顯著減小低壓側電流紋波并提高電壓增益。 并且該變換器在低壓側加入了LLC諧振網絡，控制開關頻率小于LLC的諧振頻率，在提高電壓增益的同時，可實現低壓側所有開關管的零電壓開通（ZVS）。變換器高壓側為兩開關倍壓整流電路，利用變壓器漏感Lk和諧振電容Ck諧振，可實現高壓側開關管的零電壓開通（ZVS）和零電流關斷（ZCS），減小了開關管導通損耗，提高了變換器效率并進一步增大了變換器增益。 搭建600W基于脈沖寬度調制（PWM）+脈沖頻率調制（PFM）控制的電流型高增益雙向DC-DC變換器實驗樣機，通過對樣機進行正向和反向工作實驗，驗證了變換器的可行性與實用性。
環境污染與能源危機使可再生能源愈發受到關注。由于新能源的間歇性和隨機性，分布式發電系統需要儲能單元的配合才能具有穩定輸出。但是，系統中低壓儲能單元與中壓直流母線的電壓等級差距一般較大。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，易于實現軟開關等優勢而得到應用廣泛。
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變壓器連接的兩個全橋電路，在變壓器的一側串聯一個電感Lp，通過控制雙有源橋變換器的橋間移相角來改變變換器的功率傳輸方向，控制橋內移相角保證開關管實現零電壓開通（Zero Voltage Switch, ZVS）。但變換器工作在輕載條件時，高壓側開關管不能實現ZVS，嚴重影響變換器的效率。
有學者在傳統電壓型雙有源橋拓撲的基礎上進行改進，在變壓器的高壓側增加一個中心抽頭，通過電感LH與電容橋臂中點相連。改變高壓側橋內移相角就可以在全負載范圍內實現開關管的ZVS，相對于傳統雙有源橋，其電壓增益也提升了兩倍。但是，當變換器低壓側電壓波動范圍較寬時，改進型雙有源橋變換器并不能在全功率范圍內實現ZVS。
與此同時，以LLC諧振型變換器為基礎的電壓型高增益雙向DC-DC變換器也受到了廣泛的關注。
- 有學者在電壓型全橋雙向變換器中加入了LLC諧振網絡，該電路可在全負載范圍內實現開關管的零電壓開通和零電流關斷（Zero Current Switch, ZCS）。
- 有學者為了使電壓型變換器正反向工作時的電路形式相同，在二次側加入了輔助電感，該改進措施可使電路對稱，且易于實現軟開關。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合下，低壓側電流紋波較大，變換器效率會變低。
- 據此，有學者提出了一種電流型Boost半橋雙向隔離變換器，高壓側為倍壓整流電路，有效提高了變換器的電壓增益，但是當變換器工作在較輕負載時難以實現開關管的ZVS。
- 針對這個問題，有學者提出了一種新型的電流型半橋雙向隔離DC-DC變換器。通過在變換器高壓側串聯電感，采用移相控制調節高壓側的電感電流，實現了變換器全功率范圍內的ZVS。
- 有學者中的兩電感電流型雙向變換器，在低壓大電流輸入時，不僅低壓側電流紋波小、開關導通損耗低，而且可以實現較高的電壓增益。
然而，當變換器工作在正向升壓模式時，低壓側開關管關斷過程中會由于變壓器漏感而產生較大的關斷尖峰，不利于開關管的正常運行。對于開關管關斷尖峰問題，一般采用有源鉗位電路或者RCD緩沖電路來抑制關斷尖峰。
值得注意的是，有源鉗位會增加開關管的個數，提高電路復雜性，同時剩余電流裝置（Residual Current Device, RCD）電路會消耗一部分功率，降低了變換器的傳輸效率。
據此，有學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、低壓側電流紋波小等優勢，但該變換器低壓側開關管不能全部實現ZVS，導致部分開關管電壓應力較大。
針對高增益雙向變換器存在的上述問題，為了減小變換器低壓側電流紋波，進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。通過在低壓側全橋電路兩個橋臂中點加入兩個交錯工作的Boost輸入電感，提高了變換器電壓增益且減小了低壓側電流的紋波。
并且該變換器在低壓側加入了LLC諧振網絡，控制開關頻率小于LLC的諧振頻率，可實現低壓側所有開關管的ZVS開通。變換器高壓側是倍壓整流電路，進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，為高壓側開關管創造了ZCS關斷的條件。
該變換器采用脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation, PWM）+脈沖頻率調制（Pulse Frequency Modulation, PFM）控制策略，可保證低壓側開關管實現ZVS，高壓側開關管實現ZVS、ZCS，減小了開關損耗。因此，該變換器具有高增益、電流紋波小、效率高等優勢，適用于作為新能源發電系統的電力電子接口。
圖1 電流型雙向直流變換器電路拓撲
結論
為了減小高增益雙向DC-DC變換器低壓側的電流紋波，進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勢：
- 1）該變換器在低壓側全橋電路的兩個橋臂中點連接兩個交錯工作的Boost輸入電感，可增大變換器增益并減小低壓側電流紋波并提高電壓增益。
- 2）該變換器在低壓側加入了LLC諧振網絡，控制開關頻率小于LLC的諧振頻率，在提高電壓增益的同時，可實現了低壓側所有開關管的ZVS。
- 3）變換器高壓側為倍壓整流電路，在原有基礎上進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，可實現高壓側開關管的ZVS和ZCS，減小了開關管導通損耗，提高了變換器效率。該變換器具有高增益、低壓側電流紋波小、效率高等優勢，適于作為新能源發電系統的電力電子接口。
