一种谐振型高压侧调制的电流型双向变换器

电力电子节能与传动控制河北省重点实验室（燕山大学）的研究人员孙孝峰、潘尧、沈虹、申彦峰、李昕，在2017年第24期《电工技术学报》上撰文，针对传统电流型变换器存在的关断电压尖峰问题和硬开关现象，提出一种谐振型高压侧调制的电流型双向直流变换器。

该变换器通过引入变频控制和高压侧调制策略，可以实现低压侧开关管的自然换流和零电流关断（ZCS），消除了低压侧开关管关断电压尖峰。首先分析电路的正向工作和反向工作模式的工作原理，然后对变换器进行详细的特性分析和设计，最后建立一台400W的样机并进行了测试。实验结果验证了所提电路拓扑及控制策略的优势与可行性。

在新能源应用中，储能系统必不可少。储能元件（蓄电池和超级电容）和高压母线之间需要一种双向变换器实现能量交换[1,2]。相比于电压型变换器，电流型变换器可以减小电流纹波，延长蓄电池的使用寿命[3]，获得更好的性能[4]。因此，需要一种电流型双向变换器作为储能元件与高压母线的接口电路。

电流型双向直流变换器具有结构简单[5]、低压侧电流纹波小、开关导通损耗低、高电压增益[6]、变压器利用率高等特性，适于低压大电流的应用场合。传统电流型直流变换器在工作模式时，由于变压器存在漏感，低压侧开关管关断时刻会产生严重的电压尖峰，这极大地限制了变换器的功率等级和开关频率[7]。

针对上述问题，学者们提出了许多的改进拓扑和控制方案。文献[8-10]中引入了有源钳位电路来解决关断电压尖峰问题，实现了开关管的零电压开通（Zero VoltageSwitching, ZVS）。文献[11,12]采用了变频控制，保持了电流型两电感变换器结构简单的优势，关断电压尖峰虽然得到抑制，但是电压峰值仍旧保持在变压器一次电压3倍以上。同时上述文献中的方案均为单向升压模式，不能够实现能量的双向流动。

文献[13]中提出了一种双向控制方案：正向工作模式中，采用定频PWM控制，并加入了高压侧调制方案，可以实现低压侧开关管自然换流和零电流关断（Zero CurrentSwitching, ZCS），消除了关断电压尖峰；反向工作模式中，变换器采用了变频控制，将低压侧当作倍流电路使用，并加入了同步整流技术；但由于两种模式的调制方法不同，因此无法实现正反向的平滑切换。

文献[14]中提出了一种双向变频控制方案：正向工作模式和反向工作模式都采用变频控制，利用变压器漏电感和低压侧开关管的寄生电容谐振，实现低压侧开关管的ZVS；但是低压侧开关管仍旧存在3倍以上的关断电压峰值，并且电压峰值会随着功率的增大而增大。

本文提出了一种谐振型高压侧调制的电流型双向直流变换器，控制方案为变频控制加高压侧调制策略。该方案结合了上述两种方案的优点，既实现了正向工作和反向工作的平滑切换，又通过高压侧调制策略和谐振控制，实现低压侧开关管的ZCS和ZVS，将低压侧开关管的关断电压峰值限制为变压器一次电压的2倍，消除了关断电压尖峰；同时，高压侧开关管也可以在全功率范围内实现ZVS。

图1 电流型双向直流变换器电路

结论

本文提出了一种谐振型高压侧调制双向直流变换器，通过理论分析和实验验证，该直流变换器有如下优点：

1）通过控制占空比和频率，能够实现能量的双向流动和高电压增益。

2）低压侧开关管实现了开关管的自然换流和ZCS。

3）通过引入谐振控制，消除了低压侧开关管关断电压尖峰，实现了低压侧开关管的ZVS。

4）由于高压侧开关管的ZVS，电流与电路的功率无关，所以高压侧开关管可以实现全功率范围的ZVS。