电流自均衡的低纹波高增益双向直流变换器

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.220265

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2023, Vol. 51 ›› Issue (6): 78-88.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.220265

所属专题： 2023年能源、动力与电气工程

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电流自均衡的低纹波高增益双向直流变换器

王克英黄毅王子豪余涛吴毓峰潘振宁

华南理工大学电力学院，广东广州 510640

收稿日期:2022-05-10 出版日期:2023-06-25 发布日期:2022-12-02
通信作者: 王克英（1963-），男，博士，教授，主要从事电力系统监测与控制研究。 E-mail:epkywang@scut.edu.cn
作者简介:王克英（1963-），男，博士，教授，主要从事电力系统监测与控制研究。
基金资助:
国家自然科学基金委员会-国家电网公司智能电网联合基金资助项目(U2066212);广东省基础与应用基础研究基金资助项目(2023A1515011598);广州市基础研究计划基础与应用基础研究项目(SL2022A04J01135)

Current Self-Balanced Bidirectional DC-DC Converter with Low Current Ripple and High Voltage Gain

WANG Keying HUANG Yi WANG Zihao YU Tao WU Yufeng PAN Zhenning

School of Electric Power Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China

Received:2022-05-10 Online:2023-06-25 Published:2022-12-02
Contact: 王克英（1963-），男，博士，教授，主要从事电力系统监测与控制研究。 E-mail:epkywang@scut.edu.cn
About author:王克英（1963-），男，博士，教授，主要从事电力系统监测与控制研究。
Supported by:
the the Natural Science Foundation of China-Smart Grid Joint Fund of State Grid Corporation of China(U2066212);the Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation(2023A1515011598)

摘要/Abstract

摘要：

双向直流变换器作为综合能源系统中储能模块的关键接口设备，需要具备低电流纹波、高电压增益和宽范围软开关的特性。常规双向直流变换器在低压储能侧使用交错技术实现对电池友好的低电流纹波特性，然而受限于实际的生产工艺，这类交错型双向直流变换器存在多相电流不均衡问题。本研究基于耦合电感提出了一种无需复杂控制算法的电流自均衡双向直流变换器。在综合能源储能场景中，该变换器不但具有电流自均衡特性，还具备低电流纹波、高电压增益和宽范围软开关的综合优势。首先，该变换器利用钳位电容的安秒平衡特性，在一个开关周期内强制保持了交错电流的均衡，从而在电路拓扑层面即可实现电流自动均衡的低电流纹波特性。其次，作为储能电感的耦合电感兼顾了变压器功能，通过电路多级增益结构配合，实现了高电压增益特性。最后，本变换器使用了电压匹配控制和移相控制策略，对电压增益和功率大小方向进行解耦控制，保证了不同工作状态下的软开关特性。本研究分析了该变换器的工作原理与电路特性，并以此为基础设计了一款低压侧工作电压30 V至40 V、高压侧工作电压400 V、双向功率1 kW的实验样机。该样机模拟了低压侧锂电池在不同工作电压、功率大小和方向下的运行特性，从而有效验证了该拓扑的可行性。

关键词: 双向DC-DC变换器, 耦合电感, 电流自均衡, 软开关

Abstract:

As a key interface device of the energy storage module in the integrated energy system, the bidirectional DC converter needs the features of low current ripple, high voltage gain and wide range soft switching. To achieve battery-friendly low current ripple ability, bidirectional DC converters use interleaving technology on the low-voltage energy storage side. However, restricted by the actual production process, this type of interleaved bidirectional DC converter has multi-phase current imbalance problems. In this paper, a current self-balancing bidirectional DC converter without complex control algorithm was proposed based on coupled inductors. In the integrated energy storage scenario, the converter not only has the characteristics of current self-balancing, but also has the comprehensive advantages of low current ripple, high voltage gain and wide-range soft switching. First of all, the converter used the clamp capacitor ampere-second balance to forcefully maintain the interleaved current balance in one switching cycle. Hence the low current ripple characteristic of current self-balance was realized at the circuit topology level. Secondly, the coupled inductor is both an energy storage inductor and a transformer. Through the cooperation of the multi-stage gain structure of the circuit, the high voltage gain characteristic was realized. Finally, the converter used a voltage matching control and phase shifting control strategy to decouple the voltage gain and power direction and consequently soft switching characteristics were guaranteed under different working conditions. The article analyzed the working principle and circuit characteristics of the converter, and designed an experimental prototype with an operating voltage of 30 V to 40 V on the low-voltage side, 400 V on the high-voltage side, and a bidirectional power of 1 kW. The experimental prototype simulated the operating characteristics of the low-voltage side lithium battery under different operating voltages, power levels and directions, thus effectively verifying the feasibility of the topology.

Key words: bidirectional DC-DC converter, coupled-inductor, current self-balancing, soft-switching

中图分类号:

TM46

王克英, 黄毅, 王子豪, 等. 电流自均衡的低纹波高增益双向直流变换器[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(6): 78-88.

WANG Keying, HUANG Yi, WANG Zihao, et al. Current Self-Balanced Bidirectional DC-DC Converter with Low Current Ripple and High Voltage Gain[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2023, 51(6): 78-88.

图/表 14

图1

图2

图3

表1

传输功率表达式"

模式	状态	φ取值范围	输出功率
升压	轻载	$0, D - 0.5$	$φ T V C_H 3 2 L k (2 - 2 D - φ)$
升压	额定	$D - 0.5,1 - D$	$T V C_H 3 2 L k (D - D 2 + φ - 2 φ 2 - 14)$
降压	轻载	$0.5 - D, 0$	$φ T V C_H 3 2 L k (2 - 2 D + φ)$
降压	额定	$D - 1,0.5 - D$	$T V C_H 3 2 L k (- D + D 2 + φ + 2 φ 2 + 14)$

表1

图4

图5

图6

表2

与现有BDC的性能比较"

方法	开关数量	电容数量	磁芯数量	电压增益	纹波电流/A	电感感值/μH	电流均衡	软开关	开关数量
本文BDC	8	5	2	$2 n 1 - D$	3.27	50	自均衡	全范围	8
文献［8］	4	4	1	$2 1 - D$	3.22	335		有限范围	4
文献［13］	8	4	3	$2 n 1 - D$	12.60	13	不均衡	全范围	8
文献［17］	8	2	4	$1 1 - D$	4.55	220	算法均衡	硬开关	8

表2

图7

表3

图8

图9

图10

图11

参考文献 17

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参数	数值
高压侧电压V_H/V	400
低压侧电压V_L/V	30~40
开关频率f_s/kHz	50
额定功率P_R/kW	1
励磁电感L_m1 & L_m2/μH	50
漏感L_k/μH	41.3
低压侧钳位电容C_L1 & C_L2/μF	20
高压侧钳位电容C_H1-C_H3/μF	20
耦合电感匝比n	2
低压侧开关管S₁-S₄	IRFP4768
高压侧开关管Q₁-Q₄	IRFP360
钳位二极管D₁ & D₂	SDUR3040W

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电流自均衡的低纹波高增益双向直流变换器

Current Self-Balanced Bidirectional DC-DC Converter with Low Current Ripple and High Voltage Gain

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