應用於電力電子變壓器的雙向DC_DC變換器綜述（學習筆記）

PET(Powerelectronictransformer):電力電子變壓器

PET所具備的優勢：

（1）體積小、重量輕、無變壓器油的污染；

（2）具有功率因數調節能力，減少電網諧波污染；

（3）可以接入直流環節，具有分佈式能源接入能力；

（4）自我保護能力強，能夠實現故障冗餘保護。

AC-DC-AC型PET的優勢：

（1） 具備良好的控制性能

（2） 因爲含有直流環節，能夠被靈活地接入交直流電網

（3） 利於分佈式能源的有效利用

PET分類及異同

AC-AC型PET	AC-DC-AC型PET
無直流環節	有直流環節
不便於應用於交直流混合電網	可被接入交直流電網
難以進行功率因數調節	功率因數調節
工做原理圖：	工做原理圖：
	典型拓撲結構：

AC-DC-AC型PET典型拓撲結構

工做原理：首先通過三相橋式整流電路將輸入三相電源整流爲直流電壓，而後通過雙有源橋變換器進行DC-DC變換，最後經過三相橋式逆變電路將直流電壓逆變爲交流電壓。

拓撲圖：

圖1-1AC-DC-AC型FET典型拓撲結構圖

因爲功率器件所能承受的電壓等級限制，該拓撲結構難以在中高壓領域使用，主要經過如下兩種思路解決：

（1） 發展高電壓等級的功率器件

（2） 基於現有的Si器件，採用新的控制方法和拓撲結構，經過多個功率單元串聯來使系統能夠承受更高的輸入電壓。

基於現有Si器件的PET拓撲

（1） 龐巴迪公司研發的用於機車牽引的車載PET,（輸入電壓3KV/16.7Hz，容量750KVA）

拓撲結構;

圖1-2龐巴迪公司研製的PET拓撲

DC-DC變換器採用輸出並聯形式，工做頻率達到了8KHz;採用了諧振變換器，保證每一個開關器件都可以實現零電流和零電壓開關，有效減小了開關損耗，整機效率獲得提高。

（2） 北卡羅萊納州立大學研製的用於智能配電網的單相PET拓撲（7.2KV輸入電壓，容量爲20KVA）

拓撲結構：

圖1-3北卡羅萊納州立大學研發的PET拓撲

輸入級採用級聯H橋變換器，每一個H橋輸出3.8KV直流電壓，3.8KV的直流電壓通過DAB型的DC-DC變換器變換爲400V的直流電壓，400V直流電壓通過逆變器轉換爲交流電壓；功率可以雙向流動，經過提升變壓器的工做頻率可以使整個系統體積大大縮小。重量減輕。

（3） ABB公司研製的用於鐵路網的電力電子牽引變壓器樣機（15KV/16.7Hz，系統容量爲1.2MVA,中頻變壓器頻率爲1.8KHz）

拓撲結構：

圖1-4ABB公司採用級聯H橋變換器和DC-DC變換器的PET拓撲

隔離型DC-DC變換器採用LLC諧振變換器，變換器能夠工做在諧振狀態，實現軟開關。系統效率能夠保持在96%左右。

目前，在隔離級雙向DC-DC變換器主要爲DAB變換器和LLC諧振變換器。

DAB變換器：

圖1-5DAB變換器電路原理圖

如圖1-5所示，DAB變換器主要有輸入全橋變換器和輸出全橋變換器及中高頻變壓器組成。

具有電氣隔離、功率雙向流動、開關器件ZVS開通和功率密度高等有點，普遍應用於電池充電、可再生能源發電、PET等領域。

DAB變換器的基本控制方法爲單移相（single-phase-shift，SPS）控制、雙重移相控制方式（dual-phase-shift，DPS）、三重移相控制方式（triple-phase-shiftcontrol，TPS）、兩級控制方式、電壓平衡控制方式。

SPS控制的實現方式：

經過控制變壓器1、二次側的全橋變換器產生的方波電壓並改變這兩個方波電壓之間的移相角的大小和方向，來改變傳輸功率的大小和流向。

SPS控制的優缺點：

優勢：控制方法簡單，易於實現，傳輸功率較大

缺點：傳統移相控制方法中，經過變壓器漏感（少許串聯電感）傳遞能量，在輸入輸出電壓幅值不匹配時，變換器的功率環流和電流應力會大大增長，進而也增大了功率器件、磁性元件的損耗，下降變換器的效率。

DPS控制的實現方式：

在SPS控制方法上增長了要給控制量，除了變壓器1、二次側電壓之間的移相值，一次側或二次側H橋內兩橋臂之間也有一個移相值，經過控制兩個移相值能夠保證必定輸出功率的前提降低低系統的迴流功率和電流應力，從而減少系統的損耗、提升效率。

TPS控制的實現方式：

這種控制方式是在一次側和二次側H橋內兩橋臂之間以及1、二次側全橋之間都設置移相角，所以，有3個可控制的自由度。

兩級控制的實現方式：

對輸入側級聯H橋變換器進行輸出電壓的平衡控制，保證各個DC-DC變換器的輸入電壓均衡；在此基礎上，由輸出並聯的DC-DC變換器進行各單元輸出電流平衡控制，這樣就能夠保證各單元功率均衡。

兩級控制的優缺點：

優勢：控制方式靈活

缺點：（1）爲了實現中間直流側的電壓平衡，須要補償級聯H橋各單元的調製波幅值，會影響交流輸入電流的品質；

（2）DC-DC變換器的均流控制須要對電流進行濾波處理，下降了系統的動態性能。

電壓平衡控制的實現方式：

輸入側級聯H橋不進行電壓平衡控制，由DAB變換器進行中間直流側電壓平衡控制及整個系統的功率平衡控制。

LLC諧振變換器：

圖1-6LLC諧振變換器電路原理圖

如圖1-6LLC諧振電路原理圖所示，LLC諧振變換器由輸入全橋變換器、諧振網絡、中高頻變壓器和輸出全橋變換器組成。

LLC諧振變換器的基本工做原理：

輸入全橋變換器採用50%佔空比的驅動信號進行控制，產生一個方波電壓；輸出全橋變換器進行不控整流，能夠實現變壓器一次側開關器件的ZVS和二次側開關器件的ZCS，有效下降了開關損耗。

LLC諧振變換器的優勢：

具有軟開關、能量雙向流動、高效率、高功率密度等優勢，做爲PET的隔離級DC-DC變換器可使系統的效率獲得進一步優化。

LLC諧振變換器的主要研究內容：

參數優化、變換器的啓機過程以及拓撲改進以實現功率雙向流動。

參數設計：

（1） 一般根據變換器的輸入、輸出電壓及功率範圍等討論變換器的增益特性，採用基波近似法推導出變換器的增益特性曲線，而後進行合理的參數設計以知足設計目標。

（2） 經過知足最低開關頻率下的滿載所需電壓增益來優化諧振參數。

基波近似法的實現方式

將方波電壓的基波份量進行近似替代來得到電壓增益的表達式，在實際應用中會引發較大偏差。

LLC諧振變換器的啓動方面:

利用移相控制時變換器增益隨佔空比單調遞增的特性，提出了一種軟啓動控制策略，避免了變換器空載啓動時產生過大電流衝擊的可能性。

常規的LLC諧振變換器只能進行能量的單相傳遞，而在PET的應用中須要研究LLC諧振變換器的能量雙向流動控制策略以及拓撲改進。

圖1-7CLLC諧振網絡

圖1-7CLLC諧振網絡變換器的工做原理：

正向和反向工做時構成2個不一樣的諧振網絡，逆變橋採用變頻控制，整流橋採用同步等寬整流控制，能實現逆變橋開關管的ZVS和整流橋開關管的ZCS。

CLLC諧振電路的缺點：

二次側諧振電容的增長使得變換器的工做特性被改變，在變換器的感性工做區出現了2個峯值增益點，所以變換器在變頻運行時可能進入正反饋。

改進方法：

經過增長輔助電感或電容以使變換器方向工做時也具備良好的增益特性和軟開關特性。可是輔助電感和電容的增長不只會增長成本和設計難度，還會改變變換器的工做特性。

在PET的應用場合，隔離級DC-DC變換器須要實現功率雙向流動，高頻化以縮小體積，而且須要可以實現軟開關以下降開關損耗。

LLC諧振變換器和DAB變換器在PET應用中的比較：

LLC諧振變換器相較於DAB變換器可以在更寬的負載範圍內較好地實現所有器件的ZVS及變壓器二次側器件的ZCS，有利於減小損耗。

雖然LLC諧振變換器的軟開關範圍較大，可是因爲其存在諧振過程，會致使器件所承受的電壓電流應力較大。

LLC諧振變換器的電壓調整範圍受負載影響較大，難以實現與DAB變換器相同的寬電壓範圍控制。

將來發展關鍵技術問題：

系統可靠性：因爲在中高壓領域的PET拓撲結構廣泛採用多個功率單元級聯的形式，這將形成器件數量大大增長，由此將對系統的可靠性和穩定性帶來巨大挑戰。對於這個問題，能夠採用兩種思路解決，一方面，能夠採用故障冗餘保護策略，當系統中某一單元出現故障時，能夠將其切除，冗餘單元投入使用，確保系統能夠可靠運行；另外一方面，新材料和新器件的發展也是提高PET可靠性的一個重要方向，

能量雙向流動的自由切換：PET須要實現的三個功能：電壓等級的變換、電氣隔離以及能量的雙向流動。

功率密度與效率優化：所以在PET的設計中，須要考慮對高頻變壓器與散熱裝置的體積大小進行權衡，使系統的功率密度達到最優；須要綜合考慮功率等級、開關頻率、死區時間等因素的影響，提出優化設計方案，使DC-DC變換器在輕載狀態的效率獲得保證。