吳貴洋，王建章，胡雪峰

（安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，馬鞍山243032）

雙向直流變換器是含儲能系統(tǒng)低壓可再生能源并網(wǎng)發(fā)電中的重要組成部分[1-4]。在儲能系統(tǒng)中，雙向直流變換器有雙向輸送能量的作用[5-7]。

傳統(tǒng)雙向直流變換器[8]可以實(shí)現(xiàn)能量雙向變換，在功能上相當(dāng)于一個基本Boost變換器和一個基本Buck變換器，結(jié)構(gòu)簡單，但存在著輸入電流與輸出電流紋波大、開關(guān)管電壓應(yīng)力大、電壓變換比小等不足。文獻(xiàn)[9]中的交錯并聯(lián)雙向直流變換器把兩個電感電流進(jìn)行交錯并聯(lián)，降低了輸入電流紋波，有利于改善變換器的效率和優(yōu)化變換器的動態(tài)響應(yīng)，而該變換器沒有提高升壓比，難以適用于輸入輸出電壓變換比大的場合；文獻(xiàn)[10-12]利用單相耦合電感研究了雙向直流變換器，提高了電壓變換比，但該結(jié)構(gòu)輸入電流和輸出電流紋波較大且漏感會造成開關(guān)管兩端的電壓尖峰，影響變換器的轉(zhuǎn)換效率。

本文研究了一種雙向大變比直流變換器，在低壓側(cè)采用了2個電感交叉并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，而在高壓側(cè)采用了2個分壓電容交叉串聯(lián)的連接方式。兩相交錯雙向直流變換器在升壓轉(zhuǎn)換中具有較高的電壓增益和低輸入電流紋波；在降壓轉(zhuǎn)換中，具有較好的輸出降壓功能和低輸出電流紋波。文中詳細(xì)分析了該變換器的工作原理，搭建了一臺實(shí)驗樣機(jī)，驗證了理論分析的可行性。此外，本文所提變換器具有輸入和輸出電流連續(xù)、開關(guān)管電壓應(yīng)力小等特點(diǎn)，在光伏、燃料電池等低壓可再生能源發(fā)電儲能統(tǒng)中有很好的應(yīng)用價值。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文研究了一種新型交錯式雙向直流變換器，該變換器由低壓側(cè)、雙向部分和高壓側(cè)3部分組成，可實(shí)現(xiàn)Boost和Buck兩種工作模式，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。在升壓轉(zhuǎn)換中，開關(guān)管S1和S2驅(qū)動信號相位角相差180°，其占空比大于0.5；在降壓轉(zhuǎn)換中，開關(guān)管S3和S4驅(qū)動信號相位角相差180°，其占空比小于0.5。

圖1 新型交錯式雙向直流變換器Fig.1 Novel interleaved-type bidirectional DC/DC converter

1.2 工作原理

1.2.1 Boost模式

假設(shè)電路工作在CCM模式下。開關(guān)管S1和S2為主開關(guān)管，開關(guān)管S3和S4工作在同步整流狀態(tài)。在一個開關(guān)周期內(nèi)變換器可以分為4個開關(guān)狀態(tài)，其主要工作波形和各模態(tài)等效電路分別如圖2和圖3所示。

1）模態(tài)Ⅰ[t0-t1]

如圖3（a）所示，在 t0時刻開關(guān)管 S1、S2導(dǎo)通，S3、S4關(guān)斷，低壓側(cè)輸入電源向電感L1和電感L2充電，其電感電流iL1、iL2線性增加，直到S2關(guān)斷，此階段結(jié)束，進(jìn)入下一模態(tài)?？赏茖?dǎo)出電感電壓VL為

2）模態(tài)Ⅱ[t1-t2]

由圖3（b）可以看出，開關(guān)管 S1、S4導(dǎo)通，S2、S3關(guān)斷。L2儲存的能量轉(zhuǎn)移到電容CH2中，CH2的電壓為VCH2，iL2線性降低。同時電源繼續(xù)向L1充電，iL1線性增加，則有

圖2 Boost模式下主要工作波形Fig.2 Key working waveforms in Boost mode

圖3 Boost模式下各模態(tài)等效電路Fig.3 Equivalent circuit of each switching mode in Boost mode

3）模態(tài)Ⅲ[t2-t3]

重復(fù)模態(tài)Ⅰ的過程，iL1和iL2同模態(tài)Ⅰ。

4）模態(tài)Ⅳ[t3-t4]

這一模態(tài)的電流流通路徑如圖3（c）所示。在t3時刻，開關(guān)管 S1關(guān)斷，S2維持開通，S3導(dǎo)通，S4繼續(xù)關(guān)斷。L1儲存的能量向 CH1充電，CH1的電壓為 VCH1，iL1線性降低。同時電源繼續(xù)向L2充電，iL2線性增加，則有

1.2.2 Buck模式

假設(shè)電路工作在CCM模式下。S3和S4為主開關(guān)管，S1和S2處于同步整流狀態(tài)。在一個穩(wěn)定周期內(nèi)變換器有4個開關(guān)模態(tài)，其主要工作波形如圖4所示，各模態(tài)等效電路如圖5所示。

1）模態(tài)Ⅰ[t0-t1]

在 t0時刻 S2、S3導(dǎo)通，S1、S4關(guān)斷。CH1的儲存能量向L1充電，iL1線性增加。同時L2的能量轉(zhuǎn)移到低壓側(cè)，低壓側(cè)輸出電壓為VoL，iL2線性降低，則有

2）模態(tài)Ⅱ[t1-t2]

該模態(tài)中，開關(guān)管 S3、S4關(guān)斷，S1、S2導(dǎo)通，如圖5（b）所示。L1、L2的能量轉(zhuǎn)移到低壓側(cè)，iL1、iL2線性減小。當(dāng)S4導(dǎo)通時此階段結(jié)束，則有

3）模態(tài)Ⅲ[t2-t3]

如圖5（c）所示，在 t2時刻，開關(guān)管 S4開通，S3繼續(xù)關(guān)斷，S1維持開通，S2關(guān)斷。電容CH2儲存的能量向電感L2充電，電感電流iL2線性增加。同時電感L1的能量轉(zhuǎn)移到低壓側(cè)，電感電流iL2減小，則有

圖4 Buck模式下主要工作波形Fig.4 Key working waveforms in Buck mode

4）模態(tài)Ⅳ[t3-t4]

重復(fù)模態(tài)Ⅱ的過程，iL1、iL2同模態(tài)Ⅱ。

圖5 Buck模式下各模態(tài)等效電路Fig.5 Equivalent circuit of each switching mode in Buck mode

2 穩(wěn)態(tài)性能分析

2.1 電壓增益

2.1.1 Boost模式電壓增益

根據(jù)穩(wěn)態(tài)時電感的伏秒平衡原理，由式（1）、式（3）和式（5）可得

由式（13）、式（14）和式（15）可得

同理可得

由式（16）和式（17）可得

Boost模式下的電壓增益α為

2.1.2 Buck模式電壓增益

主產(chǎn)區(qū)小麥價格持續(xù)走強(qiáng)，尤其華北局部價格已經(jīng)逼近政策“天花板”?？紤]到政策調(diào)整及制粉企業(yè)的接受能力，后期麥價持續(xù)上漲的幾率已經(jīng)不大。

根據(jù)穩(wěn)態(tài)時電感的伏秒平衡原理，由式（7）、式（9）和式（11）可得

由式（20）～式（22）可得

同理可得

由式（23）和式（24）知

Buck模式下的電壓增益β為

2.2 電流紋波分析

2.2.1 Boost模式輸入電流紋波分析

輸入電流為電感L1電流與電感L2電流之和，且在T1期間同時線性增加，則有

將式（13）、式（14）和式（27）代入式（28），可得

2.2.2 Buck模式輸出電流紋波分析

由式（7）和式（23）可知，電感 L1電壓 VL1為

將式（26）代入式（31）可知

電感L1電流僅在T1期間增加，電感L1電流紋波可表示為

輸出電流由電感L1電流與電感L2電流提供，在T1模態(tài)電感L1電流增加，電感L2電流減少，從圖4可知，輸出電流紋波可表示為

將式（26）代入式（34），可得

圖6 Boost模式實(shí)驗波形Fig.6 Experimental waveforms in Boost mode

2.3 開關(guān)器件的電壓應(yīng)力

在主開關(guān)管S1、S2占空比大于0.5時，變換器工作在Boost模式，開關(guān)管S1、S2和S4承受的最大電壓應(yīng)力均為輸出電壓的一半，而開關(guān)管S3所承受的最大電壓應(yīng)力為輸出電壓；在主開關(guān)管S3、S4占空比小于0.5時，變換器工作在Buck模式，S1、S2和S4承受的最大電壓應(yīng)力均為輸入電壓的一半，而開關(guān)管S3所承受的最大電壓應(yīng)力為輸入電壓。較傳統(tǒng)的交錯并聯(lián)雙向直流變換器相比，該變換器開關(guān)器件的電壓應(yīng)力得到了降低。

3 實(shí)驗分析

為驗證該變換器的工作原理，研制了1臺實(shí)驗樣機(jī)，參數(shù)為：低壓側(cè)電壓為25 V，高壓側(cè)電壓為200 V，L1=L2=200 μH，CH1=CH2=CL=100 μF，RH=249 Ω，RL=20 Ω，開關(guān)頻率 fS=40 kHz，開關(guān)管 S 均選用IRFP450。

圖6為Boost模式輸入電壓VL=25 V、占空比Dup=0.75時實(shí)驗波形。

由圖6（a）、（b）可知，開關(guān)管 S1、S2和 S4的電壓應(yīng)力約為100 V，開關(guān)管S3的電壓應(yīng)力雖然有3種狀態(tài)，但其中相鄰狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換電平也只有輸出電壓的一半；由圖6（c）、（d）可知，兩相電感電流進(jìn)行了交錯運(yùn)行，使得輸入電流紋波大幅度的減小。由圖6（e）知，輸出側(cè)電容CH1的電壓約為100 V，高壓側(cè)輸出電壓約為200 V，與理論分析一致。

圖7為Buck模式輸入電壓VH=200 V、占空比Ddown=0.25 時的實(shí)驗波形。由圖7（a）、（b）可知,開關(guān)管S1、S2和S4的電壓應(yīng)力約為 100 V，開關(guān)管S3的電壓應(yīng)力也得到了明顯的降低；由圖7（c）、（d）可知，兩相電感電流進(jìn)行了移相交叉運(yùn)行，有效降低了輸出電流紋波，實(shí)驗結(jié)果很好地驗證了該變換器的工作原理及其穩(wěn)態(tài)特性。

圖7 Buck模式實(shí)驗波形Fig.7 Experimental waveforms in Buck mode

4 結(jié)論

本文研究了1種新型交錯式雙向直流變換器，分析了該變換器的工作原理，推導(dǎo)出在Boost模式下輸入電流和Buck模式下輸出電流紋波表達(dá)式，并通過1臺樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗驗證。實(shí)驗結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)。

（1）電壓變換比得到了提高。在Boost模式電壓增益是基本Boost變換器的兩倍，在Buck模式電壓增益是基本Buck的一半。

（2）開關(guān)器件電壓應(yīng)力低。新型拓?fù)涞拈_關(guān)器件電壓應(yīng)力得到了降低，有利于選擇小功率高性能的開關(guān)器件。

（3）電流紋波小。在Boost模式下具有輸入電流紋波小，在Buck模式下具有輸出電流紋波小的特點(diǎn)，因而有利于減輕對前級變換器和儲能電池產(chǎn)生相應(yīng)的電磁干擾。

基于以上特點(diǎn)，該雙向變換器在光伏、燃料電池等低壓可再生能源發(fā)電儲能統(tǒng)中有很好的應(yīng)用價值。