5.1 电力电子变压器及隔离型DC-DC变换器概述（下）在线视频

大家好

接下来我们介绍隔离型

DC-DC变流器相关的内容

为了满足高效DC-DC变换器

和双向功率流动的特征

近些年许多学者

对双向DC-DC变换器进行了研究

双向DC-DC可以双向线运行

其输入输出电压等级极性不变

并且输入输出电流可以改变

所以称为双向

尤其在功能上相当于

两个单向的DC-DC变换器

具有器件数目少

体积、重量小

效率高

和能够快速进行功率方向转换等优点

许多单向DC-DC变换器都可以

通过将无缘开关器件

如二极管替换为有源开关器件

而变为双向DC-DC变换器

双向DC-DC变换器拓扑

通常分为非隔离型和隔离型两类

典型的非隔离型变换器是

Buck/Boost双向变换器

Cuk双向变换器

Zeta/SEPIC双向DC/DC变换器

目前应用较为广泛的是

Buck/Boost双向DC-DC变换器

在实际应用当中可以采用交错并联结构

提高变换器容量

并减小电流纹波

采用正向级联和反向级联的方式

可实现升压或降压的一个控制

采用三电平结构可以适用于高压场合

并能够减小输入、输出滤波器

非隔离型DC-DC变换器的优点是

更少的元器件数量及较高的效率

但其升降压范围有限

不适合工作

在宽电压输入输出范围场合

且不具有电气隔离的功能

因而变流器受电网影响

不利于安全可靠运行

在目前双向DC-DC变换器当中

通常采用隔离型拓扑

隔离型DC-DC变换器

它的优点是在输入输出之间增加了变压器

使得原副边的电器实现了电气隔离

扩大了电压变比的一个调节范围

并且降低了原副边之间的干扰

增加了电路的可靠性

通过合理设计

变压器的匝数比

可匹配不同的电压等级

拓宽了升降压的一个范围

常见的隔离是双向DC-DC变换器

有正激DC-DC变换器

反激双向DC-DC变换器

推挽双向变换器

半桥双向变换器

全球双向变换器

他们的拓扑结构如下图所示

如图所示

正激和反激双向DC-DC变换器

它们具有结构简单

成本相对低廉

比较适用于在功率小的场合

正激变换器

隔离变压器一直处于单相励磁状态

因而需要设计磁芯复位电路

反激变换器采用耦合电感的方式传递能量

开关管的电压应力相对较高

推挽式双向DC-DC变换器

变压器磁芯为双向磁化

提高了变压器利用率

但开关器件的电压应力较高

适用于中小功率场合

半桥双向DC-DC变换器

电压应力相比

推广双向DC-DC变换器低

但开关器件承受的电流较大

电压利用率较低

双有源桥式DC-DC变换器

在相同的传输功力和同等的变换电压下

开关器件所承受的电压应力

和半桥双向DC-DC变换器相同

但流过的电流是半桥式拓扑的一半

电压利用率是半桥式拓扑的两倍

因而广泛应用于中大功率的一个场合

其中

双有源桥式变换器

简称DAB

作为隔离型DC-DC变换器中

重要的一类

一直受到学者的广泛关注

该变换器主要有

两个全桥电路和高频变压器构成

高频变压器可以起到电气隔离的作用

同时还可以使两侧电压等级

得到更宽范围的匹配

其主要结构如下图所示

图中我们可以看到

双有源桥式双向DC-DC变换器的

拓扑具有对称性

所有开关器件全是

都是由全控型电力电子器件

从而使能量能够实现双向传输

双向桥式结构能够适用于

高压和大功率的场合

比如微电网、储能系统

电动汽车

不间断电源等领域

并且它具有功率密度高的特点

而且由于对称的布局

让控制方式相对来说比较简单

另外一个是它能够实现软开关

而且也可以作为多端口的一个组成单元

双有源式变换器分为以下几种

电压源型、电流源型以及谐振型

电压源型双有源全桥变换器

输入输出侧均为电压源

因而输入输出侧均存在有

只有直流滤波电容

根据其拓扑结构

又可以分为

单相DAB和三相DAB

以及多端口结构

单相和三相DAB如下图所示

三相双源桥式变换器是在

单相桥式变换器的基础之上产生的

忽略各项之间的耦合

可以将该变换器看作

三个独立的单相双源桥式变换器的组合

在相同的频率下

该变换器谐波频率为

单相桥式变换器的三倍

因此对于滤波器的设计更具有优势

电感中电流也更贴近正弦波

由于三相变换器将功率平分到三相桥上

因此流过该变换器

开关器件的电流有效值与关断电流更小

对于变压器的利用率也更高

多端口结构的双源桥式变换器

其拓扑特点为有多个输入输出端口

可以实现多路输入与多路供电

广泛应用在电动汽车等领域

电流源型双有源桥双向DC-DC变换器

除了隔离变压器两端

各有一个全桥单元外

在输入输出侧增加滤波电感

来抑制电流纹波

减小滤波电容的体积如下图所示

但是它的缺点是电压尖峰和启动的问题

以及产生的谐振问题

可以通过在输入输出侧

增加整流二极管并联有源钳位吸收电路

扩大零电压开关的负载工作范围

但电压尖峰是

制约电流型双源桥双向DC-DC变换器

广泛应用的主要因素

谐振型双源桥双向DC-DC变换器

是通过谐振网络来替代

非谐振型变换器当中的漏感

使得谐振腔电流近似为正弦波

从而使流过隔离变压器的电流也为正弦波

这样就降低了电流谐波

减小了高频变压器的涡流损耗

同时

由于谐振效应的存在

谐振电压和谐振电流接近正弦

谐振槽当中

由于电容的存在对电路当中不对称分量

可以起到阻隔的一个作用

不能够传递到高频变压器当中

这样可以防止变压器饱和

典型的谐振型DAB

根据谐振网络类型分为

单级谐振和复合谐振

单级谐振包括串联谐振和并联谐振

串联谐振型拓扑如下图所示

它是由谐振电感、谐振电容串联构成

谐振电容可以避免高频变压器出现直流分量

当变换器工作在谐振频率以下时

可以实现零电流开关

工作在谐振频率以上时

可以实现零电压开关

复合谐振拓扑包含多个谐振回路

如下图所示

包括LLC形

LCL型

CLLLC型等谐振类型

相比于单级谐振

其优势为具有更大的谐振能量

在同等功率条件下

开关管的电压、电流应力更小以上

以上是我们介绍的双向隔离型DC-DC变换器

拓扑的变流器的主要内容