基于组合型双向DC-DC变换器的超级电容储能系统控制策略分析与设计

研究了一种基于组合型双向DC-DC变换器BDC(bidirectional DC-DC converter)的超级电容储能系统,该系统采用多组多通道交错Buck/Boost双向变换器串联,既可实现开关电流和电压应力的降低也可实现电感量的减小,同时有助于减轻超级电容单体电压低与应用场合电压高间的矛盾。串联变换器模块间的均压控制是该系统稳定运行的关键之一。基于双向变换器的小信号模型分析了超级电容储能系统电流控制与变换器模块均压控制的关系,设计了组合型双向DC-DC变换器的双闭环控制策略,在稳定控制超级电容充/放电电流的同时实现模块输入电压均衡的解耦控制。进一步根据母线电压变化及超级电容荷电水平提出了储能系统能量控制策略。通过两组三相交错Buck/Boost级联BDC储能系统的实验验证了控制策略的有效性。     

输入串联输出并联的直流变换器控制策略研究

输入串联输出并联型直流变换器能降低开关管的开关应力,适用于高输入电压、大功率的直流变换场合。为了保证该变换器的可靠工作,必须确保其输入分压电容均压和输出电流均流。文中首先从能量的角度出发,分析了输入串联输出并联型直流变换器的输入均压和输出均流之间的关系,指出输出均流控制不能保证输入均压,而输入均压控制可以确保输出均流;然后提出一种新的输入均压的控制方法,在保证输入均压和输出均流的同时,该方法可以实现输入电压的均压控制与输出电压的调节相解耦,有利于分别独立设计各个输入电容电压和输出电压的闭环控制,同时交错控制下的电流纹波抵消效应使输出滤波电容得到了减小;仿真和实验结果验证了该方法的有效性。     

模块化串联光伏直流变换器的环形功率均衡拓扑及效率优化策略

独立输入串联输出型模块化直流变换器用于光伏接入直流配电网,具有变换级数少、可独立实现最大功率点跟踪等优点。而光伏功率失配会使其子模块输出电压不均,影响变换器正常运行或引起开关器件过压损坏。为了解决功率失配问题,保证变换器的可靠运行,文中提出一种环形功率均衡拓扑及效率优化控制策略,实现电压平衡。较已有的方案,仅增加了单个低值电感和电容,在保证子模块电压均衡的情况下,最大限度地减小功率流通,从而降低器件的电流应力及损耗以提升效率。文中介绍子模块间的功率传输原理及效率优化算法,对比环形均衡拓扑与常规链式均衡拓扑的电流应力及变换效率。仿真和实验结果表明,提出的环形均衡拓扑能够用更小的电流应力和更少的功率流动,实现模块化光伏直流升压变换器的电压均衡。     

一种改进型高转换比两相串联电容变换器

传统两相串联电容降压变换器具有自动相电流平衡、稳态开关电压应力小等优点，该文在传统两相串联电容降压变换器的基础上，增加两个电容和一个开关，提出一种改进型高转换比的两相串联电容变换器。该变换器具有传统两相串联电容降压变换器优点，同时还具有更高的电压转换比和更低的输出电流纹波，可以有效降低输入滤波电容值和变换器启动过程中开关的电压应力。该文在详细分析该变换器工作原理的基础上，搭建了110 W的实验样机，实验结果证明了理论分析的正确性。     

多电平直流变换器中飞跨电容电压的一种控制策略

多电平直流变换器利用飞跨电容使得输入电压在串联的各开关管之间均分，以降低各开关管的电压应力。合适的飞跨电容电压是保证多电平直流变换器正常工作并具有良好性能的关键。文中提出一种新颖的控制飞跨电容电压的方案，该方案首先将输出电压与飞跨电容电压解耦，使得控制飞跨电容电压的同时不影响输出电压的调节。继而对飞跨电容电压进行解耦控制，采用这种控制方案有利于分别独立设计各个飞跨电容电压和输出电压的控制闭环。此控制方案通过四电平直流变换器进行了实验验证。     

ISOP型直流变换器输入端电容均压问题研究

提出了一种新型的输入串联输出并联I(nput Series Output Parallel,简称ISOP)直流变换器。该变换器采用两个全桥结构的变压器共磁芯,可强制使电容均压;同时对输入端电容的压差进行反馈控制。两种方法使输入端分压电容中线电流为零,均压效果显著,因此可使用低压开关管,降低成本。文中介绍并分析了该变换器的均压机理,给出了实验结果。     

组合双向升压直流变换器型高频链逆变器

提出了一类组合双向升压直流变换器型高频链逆变器电路结构与拓扑,它由两个隔离双向升压型直流变换器输入侧并联、输出侧反向串联构成。深入研究了互补和独立两种电压瞬时值反馈控制方案及关键电路参数设计准则等。研究表明,采用互补控制时占空比变化范围小、副边功率开关电压应力小、输入电流和输出电压纹波小等特点;采用独立控制时占空比变化范围大、副边功率开关电压应力大、输入电流及输出电压纹波大等特点。研制了单端式500VA 18-32VDC/115V400HzAC互补控制逆变器样机,给出了样机测试结果。     

基于电容电荷平衡的DC/DC变换器的数字控制算法

利用电容电荷平衡原理来推导出直流,直流变换器的动态控制算法.介绍了变换器在负载电流突变和输入电压突变时的最优算法模型,详细分析了如何减少输出电压的波动以及缩短恢复时间以提高变换器的动态响应.试验结果验证了这两种算法的有效性,在25W、400kHz的同步整流Buck变换器中,应用该控制算法使得直流/直流变换器的动态响应达到最优.     

输入并联输出串联变换器系统的控制策略

将多个直流变换器模块在输入侧并联和输出侧串联,得到输入并联输出串联直流变换器,它可以降低开关管的电流应力和输出整流二极管的电压应力,适用于高输出电压、大功率的场合.为了保证该变换器的可靠工作,必须确保各模块的输出电压均衡.本文从能量守恒的角度出发,揭示了该变换器中各模块的输出均压和输入均流之间的关系,指出可以直接控制各模块的输出电压以使它们均衡,也可以采用输入均流控制来实现输出均压.提出一种新的输出均压的控制方法,它对系统输出电压控制闭环没有影响.同时采用交错控制,可以有效减小输入滤波电容和输出电容.论文最后给出了仿真和实验结果,验证了该方法的有效性.     

具有开关电容单元的电感集成Boost变换器

为提高传统Boost变换器的电压增益,降低开关管电压应力,减小变换器损耗,将开关电容和开关电感应用在传统Boost变换器中,提出一种具有开关电容单元的电感集成Boost变换器。利用开关电感与开关电容替代传统Boost变换器中的储能电感与滤波电容,并对开关电感进行了耦合集成。分析了变换器的工作模态,推导得到了变换器电压增益表达式,并研究了电感串联等效电阻对变换器电压增益的影响;分析了开关管电压应力与电感电流纹波的大小。与传统Boost变换器相比,具有开关电容单元的电感集成Boost变换器的电压增益增加一倍,开关管电压应力减小了一半,电流纹波减小接近1/2。样机实验结果验证了理论分析的正确性,表明具有开关电容单元的电感集成Boost变换器具有优良的综合性能。     

High‐efficiency transformerless buck–boost DC–DC converter

A novel high‐efficiency transformerless buck–boost DC–DC converter is proposed in this paper. The presented converter voltage gain is higher than that of the conventional boost, buck–boost, CUK, SEPIC and ZETA converters, and high voltage gain can be obtained with a suitable duty cycle. The voltage stress across the power switch is low. Hence, the low on‐state resistance of the power switch can be selected to decrease conduction loss of the switch and improve efficiency. The input current ripple in the presented converter is low. The principle of operation and the mathematical analyses of the proposed converter are explained. The validity of the presented converter is verified by the simulation results in PSCAD/EMTDC software and experimental results based on the prototype circuit with 250 W and 40 kHz. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

An interleaved high step‐up DC‐DC converter with double boost paths

This paper proposed a novel high step‐up converter with double boost paths. The circuit uses two switches and one double‐path voltage multiplier cell to own the double boost and interleaved effects simultaneously. The voltage gain ratio of the proposed DC‐DC converter can be three times the ratio of the conventional boost converter such that the voltage stress of the switch can be lower. The high step‐up performance is in accordance with only one double‐path voltage multiplier cell. Therefore, the number of diodes and capacitors in the proposed converter can be reduced. Furthermore, the interleaved property of the proposed circuit can reduce the losses in the rectifier diode and capacitor. The prototype circuit with 24‐V input voltage, 250‐V output voltage, and 150‐W output power is experimentally realized to verify the validity and effectiveness of the proposed converter. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

一种基于DCM单元的高升压非隔离型DC/DC变换器

为解决光伏发电系统中现有DC/DC变换器升压能力低、器件应力高的问题,提出一种高升压非隔离型DC/DC变换器。该变换器采用二极管电容倍增器(diode-capacitor multiplier,DCM)升压单元来提高变换器输入、输出电压增益,并通过DCM单元中电容的安秒平衡实现输入相的自动均流。对该变换器进行性能分析、仿真验证以及关键参数计算,并依据关键参数设计了额定功率为300 W的实验样机。实验结果表明该变换器具有以下优点:输入、输出增益高且可调节,适用于对增益要求不同的场合;器件应力低,方便选型,同时提高了变换器工作效率;输入相实现了自动均流,简化了控制策略。损耗分析结果表明,该变换器的理论效率在额定工况下达到93.6%。     

一种混合开关电感和开关电容的高增益DC/DC变换器

针对传统Z源DC/DC变换器存在的输入电流不连续、输出电压增益不够高和功率器件电压应力较高等不足,利用开关电感和开关电容技术,提出了一种混合开关高增益DC/DC变换器。该变换器主电路中只用到1个储能电容,结构简单,与现有典型的高增益阻抗源DC/DC变换器相比,所提出的混合开关电感和开关电容的DC/DC变换器可以实现更高的输出电压增益,同时电容和开关器件的电压应力较低。详细分析了所提变换器的工作原理,通过在实验室中所建立的输入电压16～40 V、输出电压26～107 V和输出功率7～114 W的原型验证了其性能。     

一种高效率混合型全桥DC/DC转换器的设计

为了降低损耗,提高DC/DC转换器的效率以及工作范围,提出了一种高效率的混合型全桥DC/DC转换器。其由移相全桥串联谐振转换器和带有倍压电路的有源钳位升压转换器组合而成,并使用电路结构简单的混合控制方案。在正常输入范围内,所提出的转换器作为相移全桥串联谐振转换器工作,通过在所有开关和整流二极管上应用软开关,并降低传导损耗,从而提高转换效率。当输入低于正常输入范围时,转换器作为有源钳位升压转换器工作,增强了工作范围。由于混合操作,所提出的转换器在正常输入范围下以比常规转换器更大的相移值进行工作。因此,所提出的转换器能够在较宽的工作范围内提供高功率转换效率。最后建立了一个1 k W的原理样机,来验证所提出转换器的有效性。     

具有短路限流能力的大变比DC/DC变换器

提出了一种具有短路自动限流和功率双向流动特性的大变比DC/DC变换器,该变换器适合作为接口电路用在高、低压直流线路之间。该DC/DC变换器以三电平方式工作,通过调节占空比和相移,可以改变其传输功率,并且可以实现功率的双向流动;电路以梯形波电流工作,实现了部分软开关,效率较高;在发生直流短路的情况下,流过开关管的电流峰值与正常工作时相等,实现了自动的短路保护。基于以上特点,设计了一个输入电压为12 kV、输出电压为1 kV、传输功率为100 kW的变换器,通过仿真研究验证了理论分析的正确性。     

用于混合动力汽车的三电平双向DC/DC变换器

将三电平技术应用到双向DC／DC装置中，可以提高混合动力汽车驱动系统中双向DC／DC装置的开关频率，为此提出了一种新的三电平双向DC／DC变换器拓扑。通过三电平拓扑和传统两电平拓扑电路的对比分析,得出了相同先决条件下这两种拓扑中开关管电压应力和电感电流可减小的幅度。最后通过仿真试验验证了分析结果。     

光伏发电系统前级宽输入DC/DC Boost变换器

峰值电流模式DC/DC Boost变换器输入电压范围较宽,适用于两级式光伏发电系统的前级。DC/DC Boost变换器的输入电压较低时,一般采用固定斜坡补偿来保证其稳定运行,低输入电压范围宽时,往往需要过补偿,无法达到设计功率。提出一种动态斜坡补偿的方法,使变换器在较宽输入电压下都能稳定工作且具有较高效率。40 W样机测试结果显示:输入电压在16~24 V的范围内,变换器均能稳定工作。     

并联H桥DC/DC变换器软开关技术研究

与传统的Buck电路相比,基于H桥并联的DC/DC变换器可以实现电压的双极性输出和故障时的冗余控制,非常适合用于大功率电动机正反转控制的场合。分析了并联H桥型DC/DC变换器的结构组成和双脉宽调制(PWM)模式。为了降低双脉宽调制下H桥型DC/DC变换器的开通和关断损耗,对无源软开关技术进行了分析,重点探讨了RCD缓冲电路和最小应力缓冲电路之间的性能差异,指出最小应力软开关技术可以获得更好的软开关性能,并就将其用于双脉宽调制下的并联H桥DC/DC变换器进行了仿真研究。仿真结果表明:最小应力软开关技术用于双脉宽调制下并联H桥DC/DC变换器时,可以实现开关管的零电压开通和零电流关断。     

集成直流断路器功能的高压大容量DC/DC变换器

高压大容量DC/DC变换器是直流电网中电压变换的关键设备。提出一种集成直流断路器功能的高压大容量DC/DC变换器,利用变换器自身控制实现直流侧短路故障阻断功能,具有轻量化、低成本、高效率的优势。首先,分析该变换器的拓扑结构、工作原理,推导子模块、晶闸管、二极管等器件的参数设计依据;然后,提出闭锁子模块和晶闸管阻断故障电流的机制,设计适应于该变换器的控制方案;其次,分别针对正常工况与故障工况进行了仿真与实验验证,结果表明该变换器拓扑结构及控制策略的有效性;最后,通过与其他典型的集成直流断路器功能的DC/DC拓扑进行对比分析,评估所提变换器的技术经济性。