【学术论文】新型双向DC/DC变流器在不停电电源系统中的应用
摘要：
为了解决不停电电源中存在的功率流向分配不均以及升、降压能力不足等问题，在传统的双向Buck-Boost型DC/DC变流器的基础上，从拓扑结构着手展开研究，提出了一种新型双向DC/DC变流器。通过分析该变流器的电路拓扑和工作原理，详细介绍了其在功率正向传输和反向传输下的两种工作模式，经推导得出对应不同模式的输出电压表达式。与传统的双向Buck-Boost型DC/DC变流器相比，研究的新型双向DC/DC变流器具有较高的电压增益，较小的功率开关电压应力，稳定的输出电压等优点。最后，通过理论分析并且搭建实验电路，验证了这种新型拓扑的可行性及优越性。
中文引用格式： 房绪鹏，赵扬，于志学. 新型双向DC/DC变流器在不停电电源系统中的应用[J].电子技术应用，2018，44(9)：141-145.
英文引用格式： Fang Xupeng，Zhao Yang，Yu Zhixue. Application of new bidirectional DC/DC converter in uninterruptible power supply system[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(9)：141-145.
0 引言
随着分布式电源以及电池供电设备的快速发展，具有低成本、高性能等优点且能实现双向传输功能的DC/DC变流器，在不停电电源系统、光伏发电系统等领域得到了广泛的应用，已成为近年来国内外研究的热点[1-3]。
为了提高不停电电源系统中DC/DC电源模块的性能，针对传统的双向Buck-Boost型DC/DC变流器在实际应用中存在电压增益较小、输出电压调节范围较窄、开关电压应力较大以及可靠性较差等问题，提出了一种新型双向DC/DC变流器。与传统的双向Buck-Boost型DC/DC变流器相比，该新型双向变流器设计构思是在拓扑结构上引入了电流型准阻抗源网络[4]，准阻抗源网络为变流器直流功率的双向传输以及流向分配提供了一种新颖的概念，不仅提高变流器输出电压增益，减小开关电压应力，而且具有良好的稳态响应和动态响应。
新型双向DC/DC变流器[5-6]的提出，为实现功率双向传输和流向分配功能提供了一种全新的电力电子拓扑结构，在克服传统直流变流器不足的同时，又为双向DC/DC变流器的发展与推广探索出一条崭新的道路。
1 直流不停电电源系统
直流不停电电源系统就是电路中电源模块发生故障时，系统可以实现不停电更换，不会影响到系统正常运行，这就大大提高了系统可靠性。具体工作原理：在市电正常供电时，220 V交流电经AC/DC整流器转变成负载端所需的直流电，电容C起到滤波的作用，等到电压波形调整到稳定状态后，对直流用电设备进行供电。同时，母线上的直流电压经新型双向DC/DC变流器降低到蓄电池的浮充电压实现蓄电功能；在市电供电端出现故障时，蓄电池经新型双向DC/DC变流器完成升压达到负载端所需电压等级，为直流用电设备供电[7]，其原理框图如图1所示。
2 新型双向DC/DC变流器
直流不停电电源系统中双向DC/DC变流器主电路如图2所示，在电路结构中电阻R代表直流用电设备，电源Vi代表直流输入电压，12 V为蓄电池端电压，其中虚线框内为新型双向DC/DC变流器的拓扑，由2个电感(L1和L2)、2个电容器(C1和C2)、功率开关管(S1和S2)以及一个LC滤波网络构成。功率开关管以互补的控制方式交替导通，主要工作在高频开关状态，控制信号由PWM技术负责提供。通过控制开关管的通断改变其导通占空比，可以实现调节负载电压输出的目的。
3 变流器工作原理
3.1 功率正向传输的工作原理
由电路拓扑的元件参数对称[8-9]，得：
当功率正向传输时，能量由左向右流动，根据一个周期内全控型器件的导通和关断分为两种状态，其等效电路如图3所示。
状态a：开关管S1闭合、S2关断，直流电源经过阻抗源网络向负载提供电能，电容器充电，电感放电。在一个开关周期Ts内，该状态持续时间为DTs，可得：
即：
式(6)中，M为变流器正向传输能量时的输出电压增益。
3.2 功率反向传输的工作原理
由能量由右向左传输分析得，图2也分为两种工作状态c和d，其中S1和S2两个开关器件互补导通，等效电路如图4所示。
状态c：开关S1导通、S2关断状态，直流电源向电容器C1、C2充电，电感L1、L2、L3放电，负载由电容器C供电。在一个开关周期Ts内，开关S1导通的时间为DTs，输出电压为Vo，有：
即：
式(11)中，M为变流器反向传输能量时的输出电压增益。
3.3 与传统Buck-Boost型变流器增益比较
结合传统Buck-Boost型变流器以及上述新型双向变流器推导出的输出电压增益进行对比研究，利用MATLAB/Figure软件绘制了2种拓扑结构关于电压增益M与占空比D的关系曲线图，如图5所示。传统Buck-Boost型变流器在主开关的导通占空比接近于1时，理论上可以实现无限高的输出电压，但实用电路会遇到控制、热、效率等一系列问题。正向能量直流变流器在主开关导通比在0.5左右时，理论上可以实现无限高的电压输出，这样主开关的开关导通时间较短，开关截止时间较长，有利于散热。反向能量直流变流器同样能够实现无限高的输出电压，使得导通时间较短。综上两电路拓扑在相同占空比条件下，本文所提出的新型双向直流变流器具有较高的电压增益。
4 实验结果
为了验证上述理论分析及推导过程的正确性，在搭建仿真电路并得到正确结果的基础上，为实验电路选取合适的元件，电子元器件的参数如表1所示。按照图1和图2所示的电路图搭建出实验电路模型中的主电路部分；控制信号部分通过TMS320F2812产生4路[11-12]PWM信号，每两路波形互补；全控开关选用型号为SGH80N60UFD 的IGBT开关管，驱动电路由KA962F驱动板和过流过压保护电路组成。
由示波器测得输出电压Vo的波形如图6和图7所示。图6为能量正向传输时取D=0.2和D=0.8所测的实验波形，图7为能量反向传输时取D=0.3和D=0.7所测的实验波形。采用数字万用表分别测量能量正向和能量反向时，实验电路模型中电阻R两端的输出电压值，即图6(a)输出电压Vo=－7.97 V，图6(b)输出电压Vo=31.36 V，图7(a)输出电压Vo=－31.29 V，图7(b)输出电压Vo=13.60 V。
由图6和图7实验波形结果可以看出，该新型双向能量直流变流器输出电压较稳定。能量正向和能量反向传输时，都能实现电路拓扑的升压和降压的功能，也证实了该新型变流器可以承担系统能量双向传递的工作，在一些需要能量双向传递的场所可以发挥举足轻重的作用。由于电路本身的损耗，如IGBT开关器件内阻、二极管内阻损耗等，实验波形结果值与理论分析值存在一定的差异，但符合实际电路系统的工作要求。
5 结论
通过分析基于准阻抗源的新型双向直流变流器，在传统双向变流器的基础上引入新颖的准阻抗源网络，为不停电电源系统的双向传输以及流向分配提供了一种新颖的概念。其中变流器主电路与电源或负载耦合在一起，提供了有利的降压和升压功能，克服了传统Buck-Boost型变流器。通过构建的实验电路模型，实验结果证明了理论分析及推导过程的正确性。与传统的Buck-Boost型直流变流器相比，该新型双向直流变流器具有以下优越性：(1)电压增益较高；(2)输出电压较稳定；(3)能量可以双向传输。
参考文献
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作者信息:
房绪鹏，赵 扬，于志学
（山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东 青岛266590）
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