一種諧振型高壓側調製的電流型雙向變換器

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製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製策略， 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， 然後對變換器進行詳細的特性分析和設計，

最後建立一台400W的樣機並進行了測試。 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]。 相比於電壓型變換器， 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介面電路。

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， 適於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， 由於變壓器存在漏感， 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]中引入了有源鉗位元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]採用了變頻控制，

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， 採用定頻PWM控制， 並加入了高壓側調製方案， 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， 變換器採用了變頻控制， 將低壓側當作倍流電路使用， 並加入了同步整流技術；但由於兩種模式的調製方法不同， 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採用變頻控制，

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， 並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製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製策略。 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， 又通過高壓側調製策略和諧振控制， 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範圍內實現ZVS。

圖1 電流型雙向直流變換器電路

結論

本文提出了一種諧振型高壓側調製雙向直流變換器，

通過理論分析和實驗驗證， 該直流變換器有如下優點：

1）通過控制占空比和頻率， 能夠實現能量的雙向流動和高電壓增益。

2）低壓側開關管實現了開關管的自然換流和ZCS。

3）通過引入諧振控制， 消除了低壓側開關管關斷電壓尖峰， 實現了低壓側開關管的ZVS。

4）由於高壓側開關管的ZVS， 電流與電路的功率無關， 所以高壓側開關管可以實現全功率範圍的ZVS。

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