CN105958818A - 一种高效率高功率密度双向直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效率高功率密度双向直流变换器，包括：低压侧等效电源VL，低压侧滤波电感L1、L2、L3、L4，低压侧滤波电容C1，带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管 S1、S2、S3、S4、S5、S6，高压侧滤波电容C2，高压侧等效电源VH。低压侧等效电源VL与低压侧滤波电感L1、L2、L3、L4，低压侧滤波电容C1组成的三相交错并联LCL滤波器连接，三相交错并联LCL滤波器分别与带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管 S1、S2、S3、S4、S5、S6组成的三相交错并联开关管连接，三相交错并联开关管与高压侧滤波电感C2和高压侧等效电源VH连接。

Description

一种高效率高功率密度双向直流变换器

技术领域

本发明涉及新能源并网发电及储能变换器研究技术领域，尤其涉及一种高效率高功率密度双向直流变换器。

背景技术

在新型涉及新能源并网发电及储能变换器研究技术领域，广泛应用双向直流变换器作为储能电池组与双向交直流变换器、直流微电网、直流配电网的接口设备，其中双向Buck-Boost变换器以其简单的拓扑结构与控制难度，较高的转换效率，低廉的成本成为了最常使用的拓扑结构，但其本身也存在低压侧纹波电流较大，开关管电流应力较大，功率密度不高的缺点。

目前，解决双向Buck-Boost变换器低压侧纹波电流较大、开关管电流应力较大、功率密度不高问题的方式主要有以下两种：方式一是通过多重化电路拓扑结构，减小开关管电流应力，通过载波移相减小减小输入电流纹波；方式二是通过在低压侧加入LCL滤波器减小输入电流纹波。但以上两种都存在自身的问题：方式一存在低压侧纹波电流依然较大的问题，方式二存在虽然可以减小低压侧的纹波电流，但不能解决开关管电流应力较大的问题。

发明内容

本发明提供了一种高效率高功率密度双向直流变换器，解决现行变换器低压侧电流纹波较大，开关管电流应力较大，功率密度不高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明披露的技术方案为：包括：

低压侧等效电源VL，低压侧滤波电感L1、L2、L3、L4，低压侧滤波电容C1，带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管 S1、S2、S3、S4、S5、S6，高压侧滤波电容C2，高压侧等效电源VH；

低压侧等效电源VL，包括低压侧等效电源VL电压正端，低压侧等效电源VL电压负端，所述低压侧等效电源VL电压正端接低压侧滤波电感L1一端，所述低压侧等效电源VL电压负端接低压侧滤波电容C1一端、绝缘栅双极型晶体管S2、S4、S6发射极端、高压侧滤波电容C2一端、高压侧等效电源VH电压负端；

三相交错并联LCL滤波器，包括低压侧滤波电感L1、L2、L3、L4，低压侧滤波电容C1，所述低压侧滤波电感L1另一端接低压侧滤波电感L2、L3、L4一端和滤波电容C1另一端，所述低压侧滤波电感L2另一端接绝缘栅双极型晶体管S1发射极端和绝缘栅双极型晶体管 S2集电极端，所述低压侧滤波电感L3另一端接绝缘栅双极型晶体管 S3发射极端和绝缘栅双极型晶体管 S4集电极端，所述低压侧滤波电感L4另一端接绝缘栅双极型晶体管 S5发射极端和绝缘栅双极型晶体管 S6集电极端；

三相交错并联开关管，包括带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管 S1、S2、S3、S4、S5、S6，所述绝缘栅双极型晶体管S1、S3、S5集电极端接高压侧滤波电容C2另一端、高压侧等效电源VH电压正端。

进一步的，所述低压侧等效电源及低压侧滤波电容，低压侧滤波电容的耐压值设定为低压侧等效电源电压值的1.2倍以上。

进一步的，所述三相交错并联LCL滤波器，电感L1的额定电流值为电感L2、L3、L4额定电流的3倍，电感L1的额定电流等效开关频率也为其3倍，同样电流纹波情况下可以减小电感L1的感值为原来1/10。

进一步的，所述三相交错并联开关管，电感L2、L3、L4电流纹波峰-峰值设定为开关管额定电流的2倍，已获得电感L2、L3、L4的最小感值。

进一步的，所述高压侧等效电源及高压侧滤波电容，高压侧滤波电容的耐压值设定为高压侧等效电源电压值的1.2倍以上。

进一步的，所述低压侧等效电源特别适合对于电流纹波要求较高的电源，如蓄电池组等。

实施本发明，具有如下有益效果：

（1）本发明所提出的变换器可以在不显著增加变换器的复杂程度的情况下，减小开关管的电流应力，提高了开关管的开关安全性。

（2）本发明所提出的变换器可以在不显著增加变换器的复杂程度的情况下，大幅减小低压侧的纹波电流，特别适合对电流纹波敏感的低压侧电源，如蓄电池等。

（3）本发明所提出的变换器可以在不显著增加变换器的复杂程度的情况下，大幅降低了滤波电感的感值，滤波电容的容值，从而大大减小了电感，电容的体积，显著的提高变流器的效率和功率密度。

附图说明

图1是传统基于LC滤波器单相的Buck-Boost变换器的结构图。

图2是本发明提供的一种高效率高功率密度双向直流变换器结构图。

图3是本发明提出的一种高效率高功率密度双向直流变换器的控制策略图。

图4是高效率高功率密度双向直流变换器每相电感中电流iL2，iL3，iL4。

图5是高效率高功率密度双向直流变换器三相交错并联后的电流之和，即iL2+iL3+iL4。

图6是高效率高功率密度双向直流变换器流经电感L1的电流，即低压侧电源电流。

图7是高效率高功率密度双向直流变换器流经电感L1的电流的谐波分析。

图8是传统基于LC滤波器的单相Buck-Boost变换器的近似低压侧电流工作状态图。

图9是传统基于LC滤波器的单相Buck-Boost变换器的近似低压侧电流的谐波分析图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

图1是传统基于LC滤波器单相的Buck-Boost变换器的结构图，具有低压侧电流纹波较大、开关管电流应力较大、功率密度不高等问题。

图2是本发明提供的一种高效率高功率密度双向直流变换器的一个实施例的电路结构图，如图1所示，包括：低压侧电源VL，低压侧滤波电感L1、L2、L3、L4，低压侧滤波电容C1，带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管 S1、S2、S3、S4、S5、S6，高压侧滤波电容C2，高压侧等效电源VH；

低压侧等效电源VL，包括低压侧等效电源VL电压正端，低压侧等效电源VL电压负端，所述低压侧等效电源VL电压正端接低压侧滤波电感L1一端，所述低压侧等效电源VL电压负端接低压侧滤波电容C1一端、绝缘栅双极型晶体管S2、S4、S6发射极端、高压侧滤波电容C2一端、高压侧等效电源VH电压负端；

三相交错并联LCL滤波器，包括低压侧滤波电感L1、L2、L3、L4，低压侧滤波电容C1，所述低压侧滤波电感L1另一端接低压侧滤波电感L2、L3、L4一端和滤波电容C1另一端，所述低压侧滤波电感L2另一端接绝缘栅双极型晶体管S1发射极端和绝缘栅双极型晶体管 S2集电极端，所述低压侧滤波电感L3另一端接绝缘栅双极型晶体管 S3发射极端和绝缘栅双极型晶体管 S4集电极端，所述低压侧滤波电感L4另一端接绝缘栅双极型晶体管 S5发射极端和绝缘栅双极型晶体管S6集电极端；

三相交错并联开关管，包括带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管 S1、S2、S3、S4、S5、S6，所述绝缘栅双极型晶体管S1、S3、S5集电极端接高压侧滤波电容C2另一端、高压侧等效电源VH电压正端。

本发明实施例的工作原理为：

本发明所提出的双向直流变流器由三相基于LCL滤波器的Buck-Boost双向变换器交错并联构成，每相Buck-Boost双向变换器，如图2所示，均工作于互补PWM控制状态下，即上下桥臂开关管互补导通，设一个开关周期内，上管导通时间为D，稳态时，当D大于低压侧电压与高压侧电压之比时，iL1<0，变换器工作于反向功率状态；反之，当D小于低压侧电压与高压侧电压之比时，iL1>0，变换器工作于正向功率状态，从而实现了功率的双向变换。为了减小开关管开关电流应力，将三相Buck-Boost双向变换器并联，但是，同相PWM控制会使纹波电流叠加增大。为了减小电流纹波，将三相PWM控制的载波相互交错1/3周期，有效减小总电流纹波。考虑到三相交错并联后电流纹波依旧较大，因而采用三相交错并联LCL滤波器滤除低压侧电流纹波。与传统L或LC滤波器相比可以大幅降低滤波器尺寸，提高变换器功率密度与整机效率。

如图3所示，本发明采用电压电流双闭环控制策略，考虑到三相并联均流问题，内环电流环分别控制三相电感L2，L3，L4的电流，从而在均流控制的同时起到限流的作用。外环控制高压侧或低压侧的电压。内外环控制器均选用PI控制器，PI控制器具有良好的动态静态补偿特性，且具有良好的可靠行，适合工程实际中的应用。

下面对本发明实施例进行仿真：

仿真参数为：低压侧端电压设定为140V，高压侧端电压设定为700V，额定输入电流设定为60A，额定功率为8.4kW。从而流过开关管的电流为20A。设定流过开关管的电流峰-峰纹波为40A，开关频率为10kHz，经计算得电感L2=L3=L4=140uH。流经电感L1电流等效开关频率为30kHz，设定流经电感L1的电流峰-峰纹波为2A，经计算得电感L1=5uH，电容C1=50uF。考虑到输出电压的纹波，输出滤波电容C2=100uF。

双向变换器在0s启动，0s至0.04s工作于Buck模式；0.04s时转换工作状态，0.04至0.08s工作于Boost模式；0.08s时再次转换成Buck模式工作，直至0.12s结束。

如图4所示，iL2、iL3、iL4相互交错1/3周期幅值为20A，峰-峰纹波电流为40A。如图5所示，iL2、iL3、iL4之和，幅值为60A，峰-峰纹波电流为20A，等效开关频率30kHz。如图6所示低压侧电流iL1幅值为60A，峰-峰纹波电流为2A，对其进行谐波分析，如图7所示，THD=1.79%。与图1中传统基于LC滤波器的Buck-Boost变换器相比，L=4480uH，C=200uF时，可以得到近似的效果如图8所示，其电流的谐波分析如图9所示，THD=1.69%。

需要说明的是，在以上实施例中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种高效率高功率密度双向直流变换器，其特征在于：包括：

低压侧等效电源VL，低压侧滤波电感L1、L2、L3、L4，低压侧滤波电容C1，带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管 S1、S2、S3、S4、S5、S6，高压侧滤波电容C2，高压侧等效电源VH；

低压侧等效电源VL，包括低压侧等效电源VL电压正端，低压侧等效电源VL电压负端，所述低压侧等效电源VL电压正端接低压侧滤波电感L1一端，所述低压侧等效电源VL电压负端接低压侧滤波电容C1一端、绝缘栅双极型晶体管S2、S4、S6发射极端、高压侧滤波电容C2一端、高压侧等效电源VH电压负端；

三相交错并联LCL滤波器，包括低压侧滤波电感L1、L2、L3、L4，低压侧滤波电容C1，所述低压侧滤波电感L1另一端接低压侧滤波电感L2、L3、L4一端和滤波电容C1另一端，所述低压侧滤波电感L2另一端接绝缘栅双极型晶体管S1发射极端和绝缘栅双极型晶体管 S2集电极端，所述低压侧滤波电感L3另一端接绝缘栅双极型晶体管 S3发射极端和绝缘栅双极型晶体管 S4集电极端，所述低压侧滤波电感L4另一端接绝缘栅双极型晶体管 S5发射极端和绝缘栅双极型晶体管 S6集电极端；

三相交错并联开关管，包括带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管 S1、S2、S3、S4、S5、S6，所述绝缘栅双极型晶体管S1、S3、S5集电极端接高压侧滤波电容C2另一端、高压侧等效电源VH电压正端。

2.如权利要求1所述的高效率高功率密度双向直流变换器，其特征在于：所述低压侧电源及低压侧滤波电容，低压侧滤波电容的耐压值设定为低压侧等效电源电压值的1.2倍以上。

3.如权利要求1所述的高效率高功率密度双向直流变换器，其特征在于：所述三相交错并联LCL滤波器，电感L1的额定电流值为电感L2、L3、L4额定电流的3倍，电感L1的额定电流等效开关频率也为其3倍，同样电流纹波情况下减小电感L1的感值为原来1/10。

4.如权利要求1所述的高效率高功率密度双向直流变换器，其特征在于：所述三相交错并联LCL滤波器，电感L2、L3、L4电流纹波峰-峰值设定为开关管额定电流的2倍，已获得电感L2、L3、L4的最小感值。

5.如权利要求1所述的高效率高功率密度双向直流变换器，其特征在于：所述高压侧电源及高压侧滤波电容，高压侧滤波电容的耐压值设定为高压侧等效电源电压值的1.2倍以上。

6.如权利要求1所述的高效率高功率密度双向直流变换器，其特征在于：所述低压侧等效电源采用对于电流纹波要求较高的电源。