双向DC-DC变换器电路拓扑的分析与评价

归纳了双向DC-DC变换器的应用场合，说明在飞机高压直流电源系统中，双向DC-DC变换器除了充/放电器和应急电源的作用，还有HVDC母线电压过冲吸收和起动/发电系统变换器两个重要作用。以开关电源基本拓扑为主线，对双向DC-DC变换器作了分类。从双向DC-DC变换器的工作原理出发，除了已有文献提到的双向DC-DC变换器拓扑之外，推挽正激和正反激电路都是适用于隔离型Buck/Boost 双向DC-DC变换器和隔离型Buck/Buck 双向DC-DC变换器的拓扑；Sepic/Zeta也可用于双向变换。通过分析两种常用结构Buck/Boost和Buck/Buck的工作原理，说明了研究双向DC-DC变换器要研究的几个关键问题：⑴合理控制和设计实现软开关；⑵综合考虑输入输出滤波器，使滤波器和功率级阻抗匹配；⑶开关调节系统的校正和综合问题；⑷对隔离型Buck/Boost BDC，要研究自启动问题和电流型侧开关管尖峰问题；⑸对隔离型Buck/Buck双向DC-DC变换器，要研究移相控制方案下的主变压器绕制工艺问题。     

多重化双向DC-DC变换器电流纹波分析

在电能变换装置中,通过并联DC-DC变换器来增大功率是常见的方法;而其电流纹波对装置的体积和重量有重大的影响。在时域内依据单个DC-DC变换器和多重化双向DC-DC变换器电流波形特征,在单个DC-DC变换器电感电流连续状态下导出了多重化双向DC-DC变换器与单个DC-DC变换器电流的脉动率比与占空比的定量表达式;在频域内分别对单个DC-DC变换器和多重化双向DC-DC变换器在单个DC-DC电感电流连续、断续状态下的电流利用Fourier级数展开,导出了电流各次谐波幅值与占空比的定量表达式。定量表达式和仿真结果均表明,多重化双向DC-DC变换器与单个DC-DC变换器相比,电流纹波及其谐波明显减小。这些定量表达式为大功率DC-DC变换器拓扑结构和工作点的选择提供依据。     

多重化双向DC-DC变换器电流纹波分析

在电能变换装置中,通过并联DC-DC变换器来增大功率是常见的方法;而其电流纹波对装置的体积和重量有重大的影响.在时域内依据单个DC-DC变换器和多重化双向DC-DC变换器电流波形特征,在单个DC-DC变换器电感电流连续状态下导出了多重化双向DC-DC变换器与单个DC-DC变换器电流的脉动率比与占空比的定量表达式;在频域内分别对单个DC-DC变换器和多重化双向DC-DC变换器在单个DC-DC电感电流连续、断续状态下的电流利用Fourier级数展开,导出了电流各次谐波幅值与占空比的定量表达式.定量表达式和仿真结果均表明,多重化双向DC-DC变换器与单个DC-DC变换器相比,电流纹波及其谐波明显减小.这些定量表达式为大功率DC-DC变换器拓扑结构和工作点的选择提供依据.     

多重化双向DC-DC变换器PI滑模变结构控制策略研究

针对一种基于多重化结构的双向DC-DC变换器拓扑结构提出PI滑模变结构控制策略,实现自动跟踪参考目标电压值、单元电路电感电流间实现均流的目的。给出多重化双向DC-DC变换器的工作原理,得到双向DC-DC变换器变结构模型,对适用于多重化双向DC-DC变换器的双闭环PI滑模变结构控制策略进行了深入分析,运用等效控制理论分析了滑模变结构控制的存在和稳定条件,并利用等效输入的调制方式使变换器在定开关频率下运行。PI滑模变结构控制方案充分发挥了快速响应和鲁棒性强的优点。仿真结果证明理论分析的正确性。     

电源内阻对双向DC-DC变换器性能的影响

为解决电源内阻对双向DC-DC变换器性能的影响问题,研究一种考虑电源内阻的双向DC-DC变换器的基础拓扑,建立其状态空间平均模型,并利用小信号分析法得到系统传递函数。通过伯德图分析电源内阻对双向DC-DC变换器控制器性能的影响,提出一种考虑电源内阻的双向DC-DC变换器控制器参数设计方法。以升压模式为例,在PSCAD/EMTDC中验证了电源内阻对双向DC-DC变换器输出电压波动性和暂态稳定性的影响。结果表明,电源内阻会对双向DC-DC变换器的控制性能产生影响,控制参数的设计必须考虑电源内阻。     

应用于车载充电器的双向DC-DC变换器综述

在车载充电器的工作环境中,双向DC-DC变换器要满足功率密度大和宽输出电压范围以及体积小和效率高等条件。根据是否存在电气隔离,车载充电器的双向DC-DC变换器拓扑大致可分为非隔离型和隔离型。不同类型的变换器其拓扑结构和控制方法都不尽相同,相应地有不同的性能表现,同时,宽禁带器件的发展也在提升双向DC-DC变换器性能方面表现出了巨大的潜力。对这些拓扑和控制方法的演变过程进行了详细地分类和总结,对新器件带来的影响进行了综合叙述,同时归纳了目前仍存在的问题,最后提出对其的展望与总结。     

双向全桥LLC谐振变换器的理论分析与仿真

将LLC谐振网络引入到全桥双向DC-DC变换器中,提出一种新型双向全桥LLC谐振变换器。该变换器主要由传统全桥双向DC-DC电路和LLC谐振网络组成。该电路可以在全负载范围内实现功率开关管的零电压开通关断和整流环节的零电流开通关断。文中介绍和分析了变换器的拓扑结构与工作原理,并通过仿真验证了理论分析的正确性。     

一族正反激组合式双向DC-DC变换器

提出了一族正反激双向DC-DC变换器。它采用正激和反激组合的形式，在变换器的一侧绕组串联，另一侧并联。这种结构的双向变换拓扑解决了电流型一电压型组合式拓扑的开关管电压尖峰问题和启动问题。正激和反激组合式的拓扑，减小了反激变压器传递的功率，而使一部分功率以正激形式传递，为其在较大功率场合的应用提供了拓扑基础。文章以有源箝位正反激双向变换器为例，详细分析了其工作原理，着重分析了开关时序问题和软开关实现问题，并推导了其稳态工作基本关系。通过构建试验样机平台，证明正反激双向DC-DC变换器理论分析的正确性。最后，给出了一族基于正反激原理的双向DC—DC变换器。     

DC-DC变换器拓扑族归一化分析方法

随着风光储氢等新能源发电与电力电子技术的飞速发展，高变比、宽范围的DC-DC变换器被广泛应用，对电力电子教学中相对应部分带来很高挑战。面对种类繁多的DC-DC变换器，该文以桥式开关单元作为基本“细胞单元”，采用“细胞单元–基础拓扑结构–演化规律”的思路，利用细胞单元搭建输入与输出电压转换的桥梁，提出一种DC-DC变换器拓扑族归一化分析方法。首先提出Buck和Boost2种桥式开关单元，并对6种非隔离型DC-DC变换器拓扑提出基于细胞单元的统一画法。提出用Buck和Boost两种单元变换去阐述其他变换器拓扑、换流方式以及电压增益的思维范式，此外2种开关单元并联可组成桥式双向单元，进而扩展为双向、交错并联、升/降压DC-DC变换器。对于隔离型DC-DC变换器，从变压器绕组与器件串联桥路的理念出发，提出4种基本开关单元，分别为绕组与(单/双)开关管/二极管串联桥路。据此给出反激、正激的构建过程，进而扩展到推挽、单有源桥式、双有源桥式及N相交错并联式DC-DC变换器。这些变换器升降压增益范围宽，串并联组合灵活，对于多类型DC-DC场合具有重要的应用价值，同时也搭建起工程应用和书本理论知识的回溯...     

新型模块化高压大功率DC-DC变换器

针对高压大功率场合下的直流电压变换需求,提出了一种新型模块化DC-DC变换器。该变换器开关频率低、损耗小,内部无线圈,结构简单,采用模块化设计易于扩展,且控制方式简单,适用于电压等级高、传输容量大的直流输电场合。分别设计了单向DC-DC变换器和双向DC-DC变换器,阐述了2种变换器拓扑结构、工作原理以及控制方式,并通过对比介绍了新型变换器的优势。PSCAD/EMTDC环境下的仿真实验表明,新型DC-DC变换器可以很好地实现直流变压功能,直流电压电流波形理想。     

一种新型三电平双向DC-DC变换器

三电平桥式电路中开关管承受的电应力比普通桥式电路中开关管承受的电应力减小一半,结合三电平电路结构的优点,省去了传统三电平双向DC-DC变换器中的一对飞跨电容,提出了一种新型三电平双向DC-DC变换器。该新型三电平双向DC-DC变换器使电路中开关管电应力减小,谐波成分降低。利用交错移相的控制策略进行控制,使得新型变换器中所有开关管均能实现零电压开关(ZVS)。通过2.4 kW的样机试验验证,提出的新型三电平双向DC-DC变换器性能优良,与传统的双向DC-DC变换器相比,效率有了显著提升。     

分布式风光储系统双向DC-DC变换器研究

文中提出了一种分布式风光储系统的架构,并重点研究系统中连接蓄电池和直流母线的双向DC-DC变换器。双向DC-DC变换器能够实现太阳能阵列、风机、电网和蓄电池之间的能量交换、调节母线电压,是风光储系统的关键部分。本文采用高变比的双有源全桥变换器构成双向DC-DC变换器,它既能连接较低输出电压的蓄电池和高压直流母线,又能通过移相控制实现功率双向流动和软开关。本文研制了一台3 k W风光储系统样机,在不同工况下测试了双向双有源DC-DC变换器的功能。     

基于自抗扰控制的双向DC-DC变换器并联均流控制

双向DC-DC变换器作为微电网的重要组成部分,可以实现各个微源之间的能量流动,但变换器并联运行时存在均流问题。为了解决双向DC-DC变换器的抗扰动能力和均流控制效果,在建立双向DC-DC变换器数学模型的基础上,设计了一种电压电流双闭环自抗扰控制(ADRC)策略,同时考虑双向DC-DC变换器并联运行的均流特性,将ADRC与中间电流均流控制相结合,提出了一种适用于DC-DC变换器的自抗扰均流控制算法。仿真结果表明,与传统PI控制系统相比,该控制系统具有更优的快速性、鲁棒性和适应性。     

混合动力电动车用高效双向直流变换器的设计

针对传统以蓄电池为动力的电动车存在的问题,提出以超级电容加双向DC-DC变换器为辅助动力源的方案。该方案在弥补蓄电池缺陷的同时,提高了整个系统的能源利用效率,并增加了电动车的续驶里程。在简要介绍了超级电容储能系统的基础上,主要研究和设计了系统中的核心部件—双向DC-DC变换器,分析了双向DC-DC变换器的工作模式和控制策略,并对双向变换器进行了软开关分析。Matlab仿真所得的相应波形验证了方案的有效性。     

基于LLC谐振的新型软开关双向DC-DC变换器

为了进一步提升户用储能系统中电池端双向DC-DC变换器的功率密度和效率,提出一种基于LLC谐振的新型软开关双向DC-DC变换器。该变换器有效降低了变压器匝比,提高了转化效率,在非对称半桥拓扑下可实现双向LLC特性,变换器中所有开关管均能实现软开关。同时该变换器结构简单,并可应用同步整流技术,具有效率高、成本低等优势。描述了所提变换器软开关的实现过程,进而分析了谐振特性和相关参数以及软开关的实现条件。最后制作了一台高压侧350～400 V、低压侧45～50 V的500 V·A实验样机,验证了所提变换器的有效性和实用性。     

半主动混合储能双向直流变换器的精确建模

为了优化设计双向直流变换器（BDC）的控制系统,对双向直流变换器进行了精确建模。选用带有输入和输出滤波电路的半桥式Buck/Boost变换器作为建模对象,分析了变换器的工作原理,采用状态空间平均法分别建立了大信号模型和小信号模型,并理论推导了各个扰动电量到输出电压扰动的传递函数。最后在Simulink下建立了半主动混合储能系统,验证了建模的正确性。     

电子电力变压器储能系统及其最优控制

为了使电子电力变压器具备跨越瞬时电压中断的能力,提高供电可靠性,对应用于电子电力变压器的储能系统进行了研究。所提储能系统由一个超级电容储能单元和一个双向直流变换器组成,储能单元通过直流变换器和电子电力变压器相连。为了提高储能系统中直流变换器的控制性能,提出了一种基于线性二次型调节的优化控制策略。最后,所提系统在基于DSPTMS320F2812所构建的实验系统下进行了实验验证。实验结果证明了基于超级电容储能的电子电力变压器具备跨越瞬时电压中断的能力和所提优化控制策略的有效性。     

电流馈入双向DC/DC变换器综合方法初探

本文探讨电流馈入双向DC/DC变换器的综合方法，首先运用对偶原理从电压型变换单元推导电流型变换单元，将任一电压型变换单元与任一电流型变换单元组合构成电流馈入双向DC/DC变换器。以其中一个电流馈入双向DC/DC变换器为例，进行理论与仿真研究。     

A Multi-Level Power Converter Interface for a Battery Energy Storage System

Abstract—

This study proposes a multi-level power converter for a battery energy storage system (BESS) with bidirectional power flow. The multi-level power converter includes a DC-DC power converter, a selection switch set and a full-bridge inverter. The DC-DC power converter performs bidirectional power conversion and provides a DC voltage that is greater than the peak voltage of the utility. Integrating the selection switch set and the full-bridge inverter produces a five-level AC voltage that controls the real power flow and the reactive power flow between the battery set, the DC-DC power converter and the grid. Because partial power is directly processed using only the selection switch set and the full-bridge inverter, the DC-DC power converter is operated only when the grid voltage is greater than the voltage of the battery set. Therefore, the power conversion efficiency for the proposed BESS is improved. The proposed BESS uses only eight power electronic switches, so the power circuit is simplified. A hardware prototype with a digital signal processor controller is used to verify the performance of the proposed BESS. The experimental results are as expected.