索引词 |
| 无变压器，直流母线概念升压- buck, DC-DC变换器，全桥变换器(FBC)，可再生能源系统，三端口变换器(TPC) |
介绍 |
| 功率转换器是一种转换电能的电气或机电设备。这可以像改变交流电源电压的变压器一样简单，但也包括更复杂的系统。该术语也可以指一类用于将交流电的一个频率转换为另一个频率的电机。电源转换系统通常包含冗余和电压调节。分类电源转换系统的一种方法是根据输入和输出是交流电(AC)还是直流电(DC)。 |
DC - DC变换器 |
| DC- DC变换器是一种电子电路，它将直流电源(DC)从一个电压电平转换为另一个电压电平。 |
| DC - DC转换器在便携式电子设备中非常重要，例如移动电话和笔记本电脑，这些设备主要由电池供电。这种电子设备通常包含几个子电路，每个子电路都有自己的电压要求，不同于电池或外部电源提供的电压(有时高于或低于电源电压)。此外，电池电压下降，因为其储存的电力被耗尽。开关DC - DC变换器提供了一种方法，从部分降低的电池电压增加电压，从而节省空间，而不是使用多个电池来完成同样的事情。 |
| 大多数DC - DC转换器也调节输出电压。一些例外包括高效LED电源，这是一种DC - DC转换器，通过LED调节电流，以及简单的充电泵，输出电压的两倍或三倍。 |
| 降压升压变换器是一种dc - dc变换器，其输出电压值大于或小于输入电压值。 |
| buck-boost变换器的基本原理相当简单 |
| •当处于on状态时，输入电压源直接连接到电感(L)，这导致在L中积累能量。在这一阶段，电容器为输出负载提供能量。 |
| •当处于off状态时，电感连接到输出负载和电容器，因此能量从L转移到C和R。 |
相关的工作 |
三端口转换器 |
| 为了说明所提出的拓扑概念的可能实施例，在[4]中提出了一组从一般拓扑和基本开关单元推导出的三端口转换器。下面给出了几个有前景的例子。 |
| 三端口TAB (triple active-bridge)转换器[7]。除了电隔离之外，这种拓扑结构还具有容易匹配整个系统中不同端口电压级别的优点。这可以通过为绕组选择适当的匝数来实现。该电路允许固定频率工作，并利用变压器的漏感作为能量传递元件。每个电桥产生一个高频电压(在最简单的情况下是方波)，相对于主侧有一个可控的相移角。绕组上的电压频率相同。三个端口之间的功率流可以通过相移来控制。 |
| 最大可能的功率流由泄漏(和外部添加的)电感[7]决定。只要每个端口的工作电压保持恒定，该电路可以用软开关操作。但是，当端口工作电压变化较大时，如使用超级电容器，软开关的工作范围将会减小。在[10]中，提出了一种通过调整电压(矩形脉冲波)占空比与端口工作电压成反比来扩展软开关范围的方法。 |
| 结合直流链路和磁耦合的转换器拓扑如图8[3]所示。在这个转换器中，主电源(燃料电池)和存储(超级电容器)通过直流总线相互连接，因为它们都是低压设备，而且它们的工作电压彼此接近。负载端口通过开关桥和变压器绕组连接。6个交换机，3个电源接口均为双向。该系统适用于需要提升主电源和存储的低工作电压以匹配高负载侧电压的应用，例如，400v，以提供产生交流输出的逆变器。 |
| 所提出的拓扑结构中所示的半桥结构可能是一个实现问题，特别是在大功率低压大电流情况下，这将需要大量低ESR薄膜电容器与半桥电解电容器并联。为了使用更多的硅和更少的无源元件，图8中的半桥可以被全桥[2]取代。所得到的拓扑如图9所示。这样，开关器件的电流应力减小了一半。工作原理保持类似于半桥版本。然而，变换器的开关条件变差。ZVS条件不再适用于所有情况。 |
提出了系统 |
| 将FB-TPC应用于具有备用电池的独立光伏发电系统，验证了所提出的拓扑结构。为了更好地分析工作原理，重新绘制了所提出的FB-TPC拓扑，两个源端口分别连接到PV源和电池，而输出端口连接到负载 |
| 在独立光伏发电系统中，从光伏到负载、从光伏到电池、从电池到负载有三种潮流。对于FB-TPC，通常需要严格调节负载端口以满足负载要求，而光伏电源的输入端口则需要实施最大功率跟踪，以收集最多的能量。 |
| 因此，PV源和负载之间的功率不匹配必须从电池端口充电或放电，这意味着在FBTPC中，三个端口中的两个需要独立控制，第三个端口用于功率平衡。因此，两个独立控制的变量是必要的。 |
开关状态分析 |
| Ppv = Pb + Po (1) |
| 式中，Ppv、Pb、Po分别为通过PV、电池、负载端口的功率流。FB-TPC有三种可能的操作模式 |
| •双输出(DO)模式，Ppv≥Po时，电池吸收剩余太阳能，负载和电池均从PV中获取电能 |
| •双输入(DI)模式，Ppv≤Po, Ppv > 0，电池放电，与PV一起馈电负载 |
| •单输入单输出(SISO)模式，Ppv = 0时，电池单独提供负载电源。 |
| 当ppv = po时，太阳能单独提供负载功率，变换器工作在DI和DO模式的边界状态。这种状态可以被视为DI模式或DO模式。由于FB TPC具有对称结构，在这种状态下转换器的操作与SISO模式相同，其中电池单独馈电负载。变换器的工作方式和功率流如表1所示。说明了各运行模式的潮流路径/方向。 |
| 不同工作模式下的开关状态是相同的，这些模式之间的差异是iLm的值和方向，这取决于ppv和po的功率。DO模式下iLm为正，SISO模式下iLm为负，DI模式下iLm可为正，也可为负。以DO模式为例进行分析。 |
| 为简单起见，我们做以下假设: |
| •Cpv、Cb、Co足够大，Vpv、Vb、Vo三个端口的电压在稳态时是恒定的 |
| •以Vpv≥Vb情况为例进行开关状态分析。在一个开关周期中有四种开关状态。每种状态下的关键波形和等效电路。 |
| 由图可知，在电池电压Vb不变的情况下，可以用DA1和DB 1调节PV源Vpv的电压，进行最大功率点跟踪(MPPT)。输出电压Vo可与D1、D3紧密调节。 |
| Vo = n[D1Vpv + D2 (Vb−Vpv) + D3Vb] = 2nD1 Vpv |
ZVS分析 |
| 根据分析，FB-TPC的操作类似于具有两个开关的相移FBC的操作，由互补信号驱动。所提出的FB-TPC可以利用开关的漏感、滤波电感和输出电容实现所有开关的零电压开关、零电压开关和零电压关断。其工作原理类似于相移FBC。唯一不同的是，在本文提出的FBTPC中，如果iLm方向与iP方向一致，变压器Lm的充磁电感也可以帮助实现开关的ZVS。 |
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| 各运行模式的潮流路径/方向。(a) DO模式。(b)直接注入模式。(c) SISO模式。 |
设计考虑 |
| 在半导体器件应力方面，FB-TPC与传统FBC相似。但这两个转换器之间的一个关键区别是，变压器Lm的磁化电感也是作为电感来工作的。我们还以Vpv≥Vb的情况为例进行分析。 |
| 稳态，我们有 |
| Vpv Ipv = Vb |
| Ib + VoIo |
| 根据转换状态I和II，我们有 |
| Ipv = DA1 (ILm + nIo) |
| 其中ILm是变压器的平均磁化电流，然后有 |
| ILm = [Ipv/ DA1] - nIo |
| Ib = D2 (ILm + nIo)−D3 (ILm−nIo) = |
| (DB1−2D3)ILm + DB1nIo |
| 那么变压器平均磁化电流ILm也可由下式给出。 |
| ILm =[Ib−DB1nIo]/[DB1−2D3] |
| 值得注意的是，ILm可以通过增加DA1和db1的标称值来降低，这一结果也适用于Vpv < Vb的情况，通过遵循相同的分析程序。因此，合理设计调制方案可以降低ILm值。 |
| 在本文提出的PWM方案中，当vpv远大于vb, vc2 < Vtri, vc3为零时，db1将达到最大值。在一个转换周期中，只有三种转换状态，即状态II-IV。 |
三端口变换器的无变压器和虚拟总线操作 |
| 在这种解决方案中，电网中性线直接连接到直流母线的负极，使寄生电容器的电压被箝位为零。结果，CM电流完全消除。同时，创建一个虚拟直流母线来帮助产生负输出电压。 |
| 所需要的直流母线电压仍然与全桥相同，由于电路结构自然去除CM电流，因此对调制策略没有任何限制。这样，基于全桥和半桥的解决方案的优点结合在一起。 |
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| 在此基础上，利用开关电容技术，提出了一种基于虚拟直流母线概念的逆变器拓扑结构。该逆变器可以用单极SPWM和双频SPWM进行调制。它只由5个电源开关和一个滤波器电感组成，因此可以降低半导体和磁性元件的成本。 |
| 所需要的直流电压仅为半桥方案的一半，而消除CM电流的性能优于全桥型逆变器。在此基础上，采用开关电容技术，提出了一种基于虚拟直流母线概念的逆变器拓扑结构。 |
| 它仅由五个电源开关和一个滤波器电感组成。所提出的拓扑结构特别适用于输出电流相对较小的小功率单相应用，这样由开关电容器引起的额外电流应力不会对功率器件和电容器造成严重的可靠性问题。 |
| FB-TPC与A、B两个细胞共用负极。由于这两个细胞以及FB-TPC的两个源是独立的，它们也可以以其他方式连接。 |
| 还有另外两种类型的fb - tpc。这些fb - tpc的工作原理是相似的。FB-TPC的主要特点是，变压器的充磁电感也可作为滤波电感，初级电路作为一个四开关降压升压变换器，以桥接初级侧两个端口之间的功率流。 |
| 然而，变压器的储能能力可能会限制FB-TPC的额定功率。为了克服这一缺点，可以将块电容器与初级绕组串联，并将另一个优化设计的电感与变压器并联，以便在初级侧的两个端口之间传输功率。 |
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| 改进型变换器名为带并联电感器的FB-TPC (FB-TPC- pi)，可以看作是四开关降压升压变换器和带共享电源开关的FBC的组合。 |
FB-TPC中的PWM调制 |
| 文中提出的TPC的电源管理和控制适用于FB-TPC，因为具有电池备份的可再生电力系统的电源控制遵循类似的原理，与拓扑类型无关。 |
| 然而，不同变换器的PWM方案通常是不同的，主要由拓扑结构决定。为了更好地分析FB-TPC的PWM方案。采用4个稳压器实现系统的电源管理，分别为光伏稳压器(IVR)实现MPPT，电池稳压器(BVR)实现最大电压充电控制，电池电流稳压器(BCR)实现最大电流充电控制，输出电压稳压器(OVR)实现输出电压控制。 |
| 根据PV功率与负载功率的关系，FB-TPC可以工作在DO、DI或SISO模式。 |
| db1的最大值为 |
| DB1 max = DA1 + D3 |
| DA1的最大值由D3决定。 |
| DA1 max = 1−D3 |
| 在分析的基础上，给出了所提出的PWM方案及其产生，其中Vtri为载波电压Vtri的峰峰值，vc1、vc2、vc3为采用竞争方法产生的控制电压，由下式给出: |
| vc1 = max(vc BVR, vcBCR,vc IVR) |
| vc2 = min(vc2, Vtri) |
| vc3 = max(0, vc2−Vtri) |
仿真电路及结果: |
提高模式: |
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| 升压模式输出电压:- |
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| 巴克模式: |
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| 降压模式的输出电压 |
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| 提出了系统 |
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| 电流和电压 |
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| 输出电压 |
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| 输出电流 |
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结论 |
| 为解决无变压器并网光伏逆变器的CM电流问题，提出了虚拟直流母线的概念。通过将直流母线的负极直接连接到电网中性线，杂散PV电容器上的电压被箝位为零。它仅由五个电源开关和一个滤波器电感组成。此外，FB-TPC还通过高效的方式连接了可再生能源系统。我的可再生能源系统输入电压为40.3v，输出电压为230v。这是可再生能源系统与电网连接的有效方法。 |
表格一览 |
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| 表1 |
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数字一览 |
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参考文献 |
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