应用于电力电子变压器的双向DC_DC变换器综述（学习笔记）

PET(Powerelectronictransformer):电力电子变压器

PET所具有的优点：

（1）体积小、重量轻、无变压器油的污染；

（2）具备功率因数调节能力，减小电网谐波污染；

（3）能够接入直流环节，具备分布式能源接入能力；

（4）自我保护能力强，可以实现故障冗余保护。

AC-DC-AC型PET的优点：

（1） 具有良好的控制性能

（2） 由于含有直流环节，可以被灵活地接入交直流电网

（3） 利于分布式能源的有效利用

PET分类及异同

AC-AC型PET	AC-DC-AC型PET
无直流环节	有直流环节
不便于应用于交直流混合电网	可被接入交直流电网
难以进行功率因数调节	功率因数调节
工作原理图：	工作原理图：
	典型拓扑结构：

AC-DC-AC型PET典型拓扑结构

工作原理：首先经过三相桥式整流电路将输入三相电源整流为直流电压，然后经过双有源桥变换器进行DC-DC变换，最后通过三相桥式逆变电路将直流电压逆变为交流电压。

拓扑图：

图1-1AC-DC-AC型FET典型拓扑结构图

由于功率器件所能承受的电压等级限制，该拓扑结构难以在中高压领域使用，主要通过以下两种思路解决：

（1） 发展高电压等级的功率器件

（2） 基于现有的Si器件，采用新的控制方法和拓扑结构，通过多个功率单元串联来使系统可以承受更高的输入电压。

基于现有Si器件的PET拓扑

（1） 庞巴迪公司研发的用于机车牵引的车载PET,（输入电压3KV/16.7Hz，容量750KVA）

拓扑结构;

图1-2庞巴迪公司研制的PET拓扑

DC-DC变换器采用输出并联形式，工作频率达到了8KHz;采用了谐振变换器，保证每个开关器件都能够实现零电流和零电压开关，有效减少了开关损耗，整机效率得到提升。

（2） 北卡罗莱纳州立大学研制的用于智能配电网的单相PET拓扑（7.2KV输入电压，容量为20KVA）

拓扑结构：

图1-3北卡罗莱纳州立大学研发的PET拓扑

输入级采用级联H桥变换器，每个H桥输出3.8KV直流电压，3.8KV的直流电压经过DAB型的DC-DC变换器变换为400V的直流电压，400V直流电压经过逆变器转换为交流电压；功率能够双向流动，通过提高变压器的工作频率可使整个系统体积大大缩小。重量减轻。

（3） ABB公司研制的用于铁路网的电力电子牵引变压器样机（15KV/16.7Hz，系统容量为1.2MVA,中频变压器频率为1.8KHz）

拓扑结构：

图1-4ABB公司采用级联H桥变换器和DC-DC变换器的PET拓扑

隔离型DC-DC变换器采用LLC谐振变换器，变换器可以工作在谐振状态，实现软开关。系统效率可以保持在96%左右。

目前，在隔离级双向DC-DC变换器主要为DAB变换器和LLC谐振变换器。

DAB变换器：

图1-5DAB变换器电路原理图

如图1-5所示，DAB变换器主要有输入全桥变换器和输出全桥变换器及中高频变压器组成。

具备电气隔离、功率双向流动、开关器件ZVS开通和功率密度高等有点，广泛应用于电池充电、可再生能源发电、PET等领域。

DAB变换器的基本控制方法为单移相（single-phase-shift，SPS）控制、双重移相控制方式（dual-phase-shift，DPS）、三重移相控制方式（triple-phase-shiftcontrol，TPS）、两级控制方式、电压平衡控制方式。

SPS控制的实现方式：

通过控制变压器一、二次侧的全桥变换器产生的方波电压并改变这两个方波电压之间的移相角的大小和方向，来改变传输功率的大小和流向。

SPS控制的优缺点：

优点：控制方法简单，易于实现，传输功率较大

缺点：传统移相控制方法中，通过变压器漏感（少量串联电感）传递能量，在输入输出电压幅值不匹配时，变换器的功率环流和电流应力会大大增加，进而也增大了功率器件、磁性元件的损耗，降低变换器的效率。

DPS控制的实现方式：

在SPS控制方法上增加了要给控制量，除了变压器一、二次侧电压之间的移相值，一次侧或二次侧H桥内两桥臂之间也有一个移相值，通过控制两个移相值可以保证一定输出功率的前提下降低系统的回流功率和电流应力，从而减小系统的损耗、提高效率。

TPS控制的实现方式：

这种控制方式是在一次侧和二次侧H桥内两桥臂之间以及一、二次侧全桥之间都设置移相角，因此，有3个可控制的自由度。

两级控制的实现方式：

对输入侧级联H桥变换器进行输出电压的平衡控制，保证各个DC-DC变换器的输入电压均衡；在此基础上，由输出并联的DC-DC变换器进行各单元输出电流平衡控制，这样就可以保证各单元功率均衡。

两级控制的优缺点：

优点：控制方式灵活

缺点：（1）为了实现中间直流侧的电压平衡，需要补偿级联H桥各单元的调制波幅值，会影响交流输入电流的品质；

（2）DC-DC变换器的均流控制需要对电流进行滤波处理，降低了系统的动态性能。

电压平衡控制的实现方式：

输入侧级联H桥不进行电压平衡控制，由DAB变换器进行中间直流侧电压平衡控制及整个系统的功率平衡控制。

LLC谐振变换器：

图1-6LLC谐振变换器电路原理图

如图1-6LLC谐振电路原理图所示，LLC谐振变换器由输入全桥变换器、谐振网络、中高频变压器和输出全桥变换器组成。

LLC谐振变换器的基本工作原理：

输入全桥变换器采用50%占空比的驱动信号进行控制，产生一个方波电压；输出全桥变换器进行不控整流，可以实现变压器一次侧开关器件的ZVS和二次侧开关器件的ZCS，有效降低了开关损耗。

LLC谐振变换器的优点：

具备软开关、能量双向流动、高效率、高功率密度等优点，作为PET的隔离级DC-DC变换器可以使系统的效率得到进一步优化。

LLC谐振变换器的主要研究内容：

参数优化、变换器的启机过程以及拓扑改进以实现功率双向流动。

参数设计：

（1） 通常根据变换器的输入、输出电压及功率范围等讨论变换器的增益特性，采用基波近似法推导出变换器的增益特性曲线，然后进行合理的参数设计以满足设计目标。

（2） 通过满足最低开关频率下的满载所需电压增益来优化谐振参数。

基波近似法的实现方式

将方波电压的基波分量进行近似替代来获得电压增益的表达式，在实际应用中会引起较大误差。

LLC谐振变换器的启动方面:

利用移相控制时变换器增益随占空比单调递增的特性，提出了一种软启动控制策略，避免了变换器空载启动时产生过大电流冲击的可能性。

常规的LLC谐振变换器只能进行能量的单相传递，而在PET的应用中需要研究LLC谐振变换器的能量双向流动控制策略以及拓扑改进。

图1-7CLLC谐振网络

图1-7CLLC谐振网络变换器的工作原理：

正向和反向工作时构成2个不同的谐振网络，逆变桥采用变频控制，整流桥采用同步等宽整流控制，能实现逆变桥开关管的ZVS和整流桥开关管的ZCS。

CLLC谐振电路的缺点：

二次侧谐振电容的增加使得变换器的工作特性被改变，在变换器的感性工作区出现了2个峰值增益点，因此变换器在变频运行时可能进入正反馈。

改进方法：

通过增加辅助电感或电容以使变换器方向工作时也具有良好的增益特性和软开关特性。但是辅助电感和电容的增加不仅会增加成本和设计难度，还会改变变换器的工作特性。

在PET的应用场合，隔离级DC-DC变换器需要实现功率双向流动，高频化以缩小体积，并且需要能够实现软开关以降低开关损耗。

LLC谐振变换器和DAB变换器在PET应用中的比较：

LLC谐振变换器相较于DAB变换器能够在更宽的负载范围内较好地实现全部器件的ZVS及变压器二次侧器件的ZCS，有利于减少损耗。

虽然LLC谐振变换器的软开关范围较大，但是由于其存在谐振过程，会导致器件所承受的电压电流应力较大。

LLC谐振变换器的电压调整范围受负载影响较大，难以实现与DAB变换器相同的宽电压范围控制。

未来发展关键技术问题：

系统可靠性：由于在中高压领域的PET拓扑结构普遍采用多个功率单元级联的形式，这将造成器件数量大大增加，由此将对系统的可靠性和稳定性带来巨大挑战。对于这个问题，可以采用两种思路解决，一方面，可以采用故障冗余保护策略，当系统中某一单元出现故障时，可以将其切除，冗余单元投入使用，确保系统可以可靠运行；另一方面，新材料和新器件的发展也是提升PET可靠性的一个重要方向，

能量双向流动的自由切换：PET需要实现的三个功能：电压等级的变换、电气隔离以及能量的双向流动。

功率密度与效率优化：因此在PET的设计中，需要考虑对高频变压器与散热装置的体积大小进行权衡，使系统的功率密度达到最优；需要综合考虑功率等级、开关频率、死区时间等因素的影响，提出优化设计方案，使DC-DC变换器在轻载状态的效率得到保证。