0 引言

    隨著分布式電源以及電池供電設(shè)備的快速發(fā)展，具有低成本、高性能等優(yōu)點且能實現(xiàn)雙向傳輸功能的DC/DC變流器，在不停電電源系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，已成為近年來國內(nèi)外研究的熱點^[1-3]。

    為了提高不停電電源系統(tǒng)中DC/DC電源模塊的性能，針對傳統(tǒng)的雙向Buck-Boost型DC/DC變流器在實際應(yīng)用中存在電壓增益較小、輸出電壓調(diào)節(jié)范圍較窄、開關(guān)電壓應(yīng)力較大以及可靠性較差等問題，提出了一種新型雙向DC/DC變流器。與傳統(tǒng)的雙向Buck-Boost型DC/DC變流器相比，該新型雙向變流器設(shè)計構(gòu)思是在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上引入了電流型準(zhǔn)阻抗源網(wǎng)絡(luò)^[4]，準(zhǔn)阻抗源網(wǎng)絡(luò)為變流器直流功率的雙向傳輸以及流向分配提供了一種新穎的概念，不僅提高變流器輸出電壓增益，減小開關(guān)電壓應(yīng)力，而且具有良好的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和動態(tài)響應(yīng)。

    新型雙向DC/DC變流器^[5-6]的提出，為實現(xiàn)功率雙向傳輸和流向分配功能提供了一種全新的電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在克服傳統(tǒng)直流變流器不足的同時，又為雙向DC/DC變流器的發(fā)展與推廣探索出一條嶄新的道路。

1 直流不停電電源系統(tǒng)

    直流不停電電源系統(tǒng)就是電路中電源模塊發(fā)生故障時，系統(tǒng)可以實現(xiàn)不停電更換，不會影響到系統(tǒng)正常運行，這就大大提高了系統(tǒng)可靠性。具體工作原理：在市電正常供電時，220 V交流電經(jīng)AC/DC整流器轉(zhuǎn)變成負(fù)載端所需的直流電，電容C起到濾波的作用，等到電壓波形調(diào)整到穩(wěn)定狀態(tài)后，對直流用電設(shè)備進(jìn)行供電。同時，母線上的直流電壓經(jīng)新型雙向DC/DC變流器降低到蓄電池的浮充電壓實現(xiàn)蓄電功能；在市電供電端出現(xiàn)故障時，蓄電池經(jīng)新型雙向DC/DC變流器完成升壓達(dá)到負(fù)載端所需電壓等級，為直流用電設(shè)備供電^[7]，其原理框圖如圖1所示。

2 新型雙向DC/DC變流器

    直流不停電電源系統(tǒng)中雙向DC/DC變流器主電路如圖2所示，在電路結(jié)構(gòu)中電阻R代表直流用電設(shè)備，電源V_i代表直流輸入電壓，12 V為蓄電池端電壓，其中虛線框內(nèi)為新型雙向DC/DC變流器的拓?fù)?，?個電感(L₁和L₂)、2個電容器(C₁和C₂)、功率開關(guān)管(S₁和S₂)以及一個LC濾波網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。功率開關(guān)管以互補的控制方式交替導(dǎo)通，主要工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，控制信號由PWM技術(shù)負(fù)責(zé)提供。通過控制開關(guān)管的通斷改變其導(dǎo)通占空比，可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)負(fù)載電壓輸出的目的。

3 變流器工作原理

3.1 功率正向傳輸?shù)墓ぷ髟?/strong>

    由電路拓?fù)涞脑?shù)對稱^[8-9]，得：

    當(dāng)功率正向傳輸時，能量由左向右流動，根據(jù)一個周期內(nèi)全控型器件的導(dǎo)通和關(guān)斷分為兩種狀態(tài)，其等效電路如圖3所示。

    狀態(tài)a：開關(guān)管S₁閉合、S₂關(guān)斷，直流電源經(jīng)過阻抗源網(wǎng)絡(luò)向負(fù)載提供電能，電容器充電，電感放電。在一個開關(guān)周期T_s內(nèi)，該狀態(tài)持續(xù)時間為DT_s，可得：

即：

    式(6)中，M為變流器正向傳輸能量時的輸出電壓增益。

3.2 功率反向傳輸?shù)墓ぷ髟?/strong>

    由能量由右向左傳輸分析得，圖2也分為兩種工作狀態(tài)c和d，其中S₁和S₂兩個開關(guān)器件互補導(dǎo)通，等效電路如圖4所示。

    狀態(tài)c：開關(guān)S₁導(dǎo)通、S₂關(guān)斷狀態(tài)，直流電源向電容器C₁、C₂充電，電感L₁、L₂、L₃放電，負(fù)載由電容器C供電。在一個開關(guān)周期T_s內(nèi)，開關(guān)S₁導(dǎo)通的時間為DT_s，輸出電壓為V_o，有：

    即：

    式(11)中，M為變流器反向傳輸能量時的輸出電壓增益。

3.3 與傳統(tǒng)Buck-Boost型變流器增益比較

    結(jié)合傳統(tǒng)Buck-Boost型變流器以及上述新型雙向變流器推導(dǎo)出的輸出電壓增益進(jìn)行對比研究，利用MATLAB/Figure軟件繪制了2種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)于電壓增益M與占空比D的關(guān)系曲線圖，如圖5所示。傳統(tǒng)Buck-Boost型變流器在主開關(guān)的導(dǎo)通占空比接近于1時，理論上可以實現(xiàn)無限高的輸出電壓，但實用電路會遇到控制、熱、效率等一系列問題。正向能量直流變流器在主開關(guān)導(dǎo)通比在0.5左右時，理論上可以實現(xiàn)無限高的電壓輸出，這樣主開關(guān)的開關(guān)導(dǎo)通時間較短，開關(guān)截止時間較長，有利于散熱。反向能量直流變流器同樣能夠?qū)崿F(xiàn)無限高的輸出電壓，使得導(dǎo)通時間較短。綜上兩電路拓?fù)湓谙嗤伎毡葪l件下，本文所提出的新型雙向直流變流器具有較高的電壓增益。

4 實驗結(jié)果

    為了驗證上述理論分析及推導(dǎo)過程的正確性，在搭建仿真電路并得到正確結(jié)果的基礎(chǔ)上，為實驗電路選取合適的元件，電子元器件的參數(shù)如表1所示。按照圖1和圖2所示的電路圖搭建出實驗電路模型中的主電路部分；控制信號部分通過TMS320F2812產(chǎn)生4路^[11-12]PWM信號，每兩路波形互補；全控開關(guān)選用型號為SGH80N60UFD 的IGBT開關(guān)管，驅(qū)動電路由KA962F驅(qū)動板和過流過壓保護(hù)電路組成。

    由示波器測得輸出電壓Vo的波形如圖6和圖7所示。圖6為能量正向傳輸時取D=0.2和D=0.8所測的實驗波形，圖7為能量反向傳輸時取D=0.3和D=0.7所測的實驗波形。采用數(shù)字萬用表分別測量能量正向和能量反向時，實驗電路模型中電阻R兩端的輸出電壓值，即圖6(a)輸出電壓Vo=－7.97 V，圖6(b)輸出電壓Vo=31.36 V，圖7(a)輸出電壓Vo=－31.29 V，圖7(b)輸出電壓Vo=13.60 V。

    由圖6和圖7實驗波形結(jié)果可以看出，該新型雙向能量直流變流器輸出電壓較穩(wěn)定。能量正向和能量反向傳輸時，都能實現(xiàn)電路拓?fù)涞纳龎汉徒祲旱墓δ?，也證實了該新型變流器可以承擔(dān)系統(tǒng)能量雙向傳遞的工作，在一些需要能量雙向傳遞的場所可以發(fā)揮舉足輕重的作用。由于電路本身的損耗，如IGBT開關(guān)器件內(nèi)阻、二極管內(nèi)阻損耗等，實驗波形結(jié)果值與理論分析值存在一定的差異，但符合實際電路系統(tǒng)的工作要求。

5 結(jié)論

    通過分析基于準(zhǔn)阻抗源的新型雙向直流變流器，在傳統(tǒng)雙向變流器的基礎(chǔ)上引入新穎的準(zhǔn)阻抗源網(wǎng)絡(luò)，為不停電電源系統(tǒng)的雙向傳輸以及流向分配提供了一種新穎的概念。其中變流器主電路與電源或負(fù)載耦合在一起，提供了有利的降壓和升壓功能，克服了傳統(tǒng)Buck-Boost型變流器。通過構(gòu)建的實驗電路模型，實驗結(jié)果證明了理論分析及推導(dǎo)過程的正確性。與傳統(tǒng)的Buck-Boost型直流變流器相比，該新型雙向直流變流器具有以下優(yōu)越性：(1)電壓增益較高；(2)輸出電壓較穩(wěn)定；(3)能量可以雙向傳輸。

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作者信息:

房緒鵬，趙  揚，于志學(xué)

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