一種高增益雙向準(zhǔn)Y源DC-DC變換器

房緒鵬，王晴晴，鄭士成，綦中明

（山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，青島266590）

雙向DC-DC變換器是典型的 “一機(jī)兩用”設(shè)備，在需要能量雙向流動(dòng)的應(yīng)用場合，可以大幅度降低系統(tǒng)的體積、重量及成本，并提高能量的有效利用率，具有重要的研究價(jià)值[1-2]。因此，可在電動(dòng)汽車燃料電池、不間斷電源UPS（uninterrupted power supply）、可再生能源發(fā)電技術(shù)、航空航天系統(tǒng)和能源互聯(lián)網(wǎng)等新能源領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。

最初，研究人員用雙向功率開關(guān)代替單向直流變換器中的單向開關(guān)，衍生出了傳統(tǒng)的雙向DC-DC變換器，在功能上它相當(dāng)于2個(gè)單向的直流變換器，可以實(shí)現(xiàn)功率的雙向傳輸[3]。但其升降壓能力有限，在高、低壓側(cè)直流電壓相差懸殊時(shí)，需要更高的電壓增益和更寬的調(diào)壓范圍才能滿足應(yīng)用要求[4-6]。隨后，文獻(xiàn)[7]提出了Y源阻抗網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌⑵鋺?yīng)用于DC-DC變換器中，它綜合了文獻(xiàn)[8]中提出的Trans-Z源和文獻(xiàn)[9]中提出的Γ-Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)變換器的高增益性能，充分發(fā)揮了含有耦合電感的阻抗網(wǎng)絡(luò)變換器的優(yōu)勢，避免了傳統(tǒng)變換器為達(dá)到大升降壓比而采用極限占空比的情況。Y源阻抗網(wǎng)絡(luò)通過三端耦合電感來傳遞能量，匝數(shù)比設(shè)計(jì)靈活，且耦合電感的匝數(shù)比和總匝數(shù)可以保持在相對(duì)較小的范圍內(nèi)[10]。但其輸入電流是不連續(xù)的，這一缺陷使其在可再生能源領(lǐng)域的雙向直流變換器應(yīng)用中受到了諸多限制。文獻(xiàn)[11-12]提出了準(zhǔn)Y源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它不僅具有連續(xù)的輸入電流，還可以在較小的直通占空比下實(shí)現(xiàn)更高的電壓增益，使升降壓輸出能力進(jìn)一步提升，具有非常好的發(fā)展前景。

本文將準(zhǔn)Y源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)引入雙向DC-DC變換器，提出了一種改進(jìn)型高增益雙向準(zhǔn)Y源DC-DC變換器拓?fù)洌Y(jié)合了2種拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼具高電壓增益與高傳輸效率，拓寬了其應(yīng)用范圍。首先分析了該電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和變換器的不同工作狀態(tài)，經(jīng)理論推導(dǎo)得到不同模式下的輸出電壓和器件應(yīng)力表達(dá)式；然后通過Matlab/Simulink對(duì)電路進(jìn)行仿真；最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性與可行性。

1 變換器拓?fù)浜凸ぷ鬟^程分析

1.1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文所提改進(jìn)型高增益雙向準(zhǔn)Y源DC-DC變換器如圖1所示，該電路拓?fù)溆芍绷鬏斎腚娫?、?zhǔn)Y源阻抗網(wǎng)絡(luò)、LC濾波電路和負(fù)載組成。其中，準(zhǔn)Y源阻抗網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)變比為N1：N2：N3的三端耦合電感、2個(gè)電容器C1和C2以及2組雙向開關(guān)組成。若采用單向可控開關(guān)，由于反并聯(lián)二極管的不可控特性，電路可能會(huì)出現(xiàn)不正常的工作狀態(tài)。因此，所選用的每組雙向開關(guān)由2個(gè)IGBT模塊構(gòu)成且采用互補(bǔ)控制方式，即在1個(gè)開關(guān)周期內(nèi)分時(shí)段互補(bǔ)式導(dǎo)通和關(guān)斷，在功率單向正常傳輸?shù)那疤嵯?，可以最大限度地保證功率流雙向傳輸時(shí)的可靠性。拓?fù)渲兴x取的IGBT開關(guān)管內(nèi)部已反并聯(lián)二極管，為逆導(dǎo)型器件，十分適合雙向功率流傳輸。

1.2 變換器的正向工作狀態(tài)

功率正向傳輸時(shí)，變換器工作在升壓模式。此時(shí)，僅對(duì)開關(guān)管SW1和SW2施加脈沖信號(hào)使其互補(bǔ)交替導(dǎo)通，二極管和分別與開關(guān)SW1和SW2同時(shí)通斷。與傳統(tǒng)雙向DC-DC變換器類似，雙向準(zhǔn)Y源DC-DC變換器在正向和反向工作狀態(tài)下，也分別有直通和非直通2種工作模式。該狀態(tài)下的主要工作波形如圖2所示。

正向直通模式的等效電路如圖3所示。電容C2向耦合電感N2和N3放電，直流電源和電容C1向電感L1釋放能量，電感進(jìn)行儲(chǔ)能。各繞組電壓之比等于匝數(shù)之比。此時(shí)

式中：Vin為直流輸入電壓；Vo為負(fù)載端輸出電壓；、和分別為正向直通模式下準(zhǔn)Y源DC-DC變換器中的電感L1、L2和電容C1、C2兩端的電壓；VL為耦合電感N1兩端的電壓。

正向非直通模式的等效電路如圖4所示。直流電源和電感L1經(jīng)阻抗網(wǎng)絡(luò)向電容放電，同時(shí)為負(fù)載提供能量。用V'L表示該狀態(tài)下耦合電感N1兩端的電壓，則

經(jīng)計(jì)算可得

表1和表2分別總結(jié)了改進(jìn)型雙向準(zhǔn)Y源DC-DC變換器的繞組因數(shù)與匝數(shù)比和電壓增益的關(guān)系以及不同類型雙向DC-DC變換器在正向工作時(shí)的電壓增益表達(dá)式?？梢钥闯?，在相同的繞組因數(shù)下，準(zhǔn)Y源拓?fù)浔萗源拓?fù)涞碾妷涸鲆娓撸划?dāng)滿足且 N3-N2＞0時(shí)，雙向準(zhǔn)Y源 DCDC變換器的電壓增益會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于雙向準(zhǔn)Z源DCDC變換器?？傻?/p>

表1 改進(jìn)型準(zhǔn)Y源DC-DC變換器在不同繞組因數(shù)和匝數(shù)比下的電壓增益Tab.1 Voltage gain of improved quasi-Y-source DC-DC converter with different winding factors and turns ratios

表2 不同雙向DC-DC變換器正向工作時(shí)的電壓增益Tab.2 Voltage gains of different bidirectional DC-DC converters in power forward transmission

由式（14）可確定準(zhǔn)Y源DC-DC變換器中直通占空比D的取值范圍。相比準(zhǔn)Z源DC-DC變換器的占空比范圍0～0.5，該占空比D的取值范圍更小，為 0≤D＜1/3。

為進(jìn)一步說明電壓增益隨繞組因數(shù)和占空比的變化情況，根據(jù)式（11）利用Matlab軟件繪制出改進(jìn)型準(zhǔn)Y源DC-DC變換器在功率正向傳輸時(shí)的電壓增益曲線，如圖5所示。

由表1和圖5可以看出，選擇不同的繞組因數(shù)和占空比，會(huì)產(chǎn)生不同的電壓增益。通過增加繞組因數(shù)K，可以在較小的直通占空比下得到更高的電壓增益。另外，只要給出特定的繞組因數(shù)，就可以靈活選擇耦合電感的匝數(shù)比。因此，與雙向準(zhǔn)Z源DC-DC變換器相比，本文提出的雙向準(zhǔn)Y源DCDC變換器不但能夠靈活設(shè)計(jì)繞組匝數(shù)比，而且在相同條件下采用更小的直通占空比就可以實(shí)現(xiàn)更高的升壓倍數(shù)，調(diào)壓范圍更寬，拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。

1.3 變換器的反向工作狀態(tài)

功率反向傳輸時(shí)，變換器工作在降壓模式。該過程與正向傳輸分析過程完全一致，此狀態(tài)下各物理量之間的關(guān)系為

由表3可以看出，本文所提改進(jìn)型高增益雙向準(zhǔn)Y源DC-DC變換器的升、降壓能力均有很大提升，更重要的是，可以根據(jù)實(shí)際需要靈活選擇合適的升、降壓比，應(yīng)用場合相對(duì)廣泛。

表3 雙向準(zhǔn)Y源與雙向準(zhǔn)Z源DC-DC變換器的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比Tab.3 Comparison of various parameters between bidirectional quasi-Y-source and bidirectional quasi-Z-source DC-DC converters

2 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證理論分析的正確性與可行性，首先運(yùn)用Matlab/Simulink對(duì)本文提出的改進(jìn)型高增益雙向準(zhǔn)Y源DC-DC變換器進(jìn)行仿真，然后搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)參數(shù)與仿真參數(shù)保持一致，如表4所示。變換器在正向工作狀態(tài)下的仿真波形如圖6所示。在圖7所示的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中，選用DSP芯片TMS320F28335產(chǎn)生占空比可調(diào)的互補(bǔ)PWM控制信號(hào)用以控制4個(gè)IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷。將DSP芯片產(chǎn)生的四路PWM控制信號(hào)分為2組，每組內(nèi)2路信號(hào)相同，2組之間信號(hào)互補(bǔ)，分別用來控制開關(guān)管

表5記錄了該變換器在正向工作狀態(tài)下的仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)值，與理論分析一致。圖8為該變換器在正向工作狀態(tài)下的仿真效率曲線，傳輸效率較高。圖9和圖10為電路的實(shí)驗(yàn)波形，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文所提雙向準(zhǔn)Y源DC-DC變換器可以實(shí)現(xiàn)功率的雙向傳輸。當(dāng)功率正向傳輸時(shí)，實(shí)現(xiàn)了升壓功能；功率反向傳輸時(shí)，實(shí)現(xiàn)了降壓功能。受開關(guān)管內(nèi)阻等因素影響，該變換器的實(shí)際輸出電壓與理論值存在一定誤差，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)，驗(yàn)證了理論分析的正確性和可靠性。

表4 仿真和實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.4 Simulation and experimental parameters

表5 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Simulation and experimental results

3 結(jié)語

本文研究了一種改進(jìn)型高增益雙向準(zhǔn)Y源DC-DC變換器拓?fù)?，它不僅繼承了傳統(tǒng)雙向Y源DC-DC變換器繞組匝數(shù)比設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)點(diǎn)，還具有雙向準(zhǔn)Z源DC-DC變換器輸入電流連續(xù)的優(yōu)勢。除此之外，該拓?fù)涞纳?降壓輸出能力有了進(jìn)一步提升，實(shí)現(xiàn)了更高的電壓增益，電壓調(diào)節(jié)范圍更寬，傳輸效率高，應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。