一种高增益双向准Y源DC-DC变换器

2020-06-28房绪鹏王晴晴郑士成綦中明

电源学报 2020年3期

房绪鹏，王晴晴，郑士成，綦中明

（山东科技大学电气与自动化工程学院，青岛266590）

双向DC-DC变换器是典型的 “一机两用”设备，在需要能量双向流动的应用场合，可以大幅度降低系统的体积、重量及成本，并提高能量的有效利用率，具有重要的研究价值[1-2]。因此，可在电动汽车燃料电池、不间断电源UPS（uninterrupted power supply）、可再生能源发电技术、航空航天系统和能源互联网等新能源领域中广泛应用。

最初，研究人员用双向功率开关代替单向直流变换器中的单向开关，衍生出了传统的双向DC-DC变换器，在功能上它相当于2个单向的直流变换器，可以实现功率的双向传输[3]。但其升降压能力有限，在高、低压侧直流电压相差悬殊时，需要更高的电压增益和更宽的调压范围才能满足应用要求[4-6]。随后，文献[7]提出了Y源阻抗网络拓扑，并将其应用于DC-DC变换器中，它综合了文献[8]中提出的Trans-Z源和文献[9]中提出的Γ-Z源阻抗网络变换器的高增益性能，充分发挥了含有耦合电感的阻抗网络变换器的优势，避免了传统变换器为达到大升降压比而采用极限占空比的情况。Y源阻抗网络通过三端耦合电感来传递能量，匝数比设计灵活，且耦合电感的匝数比和总匝数可以保持在相对较小的范围内[10]。但其输入电流是不连续的，这一缺陷使其在可再生能源领域的双向直流变换器应用中受到了诸多限制。文献[11-12]提出了准Y源拓扑结构，它不仅具有连续的输入电流，还可以在较小的直通占空比下实现更高的电压增益，使升降压输出能力进一步提升，具有非常好的发展前景。

本文将准Y源拓扑结构引入双向DC-DC变换器，提出了一种改进型高增益双向准Y源DC-DC变换器拓扑，它结合了2种拓扑的优点，同时兼具高电压增益与高传输效率，拓宽了其应用范围。首先分析了该电路的拓扑结构和变换器的不同工作状态，经理论推导得到不同模式下的输出电压和器件应力表达式；然后通过Matlab/Simulink对电路进行仿真；最后通过实验验证了理论分析的正确性与可行性。

1 变换器拓扑和工作过程分析

1.1 电路拓扑结构

本文所提改进型高增益双向准Y源DC-DC变换器如图1所示，该电路拓扑由直流输入电源、准Y源阻抗网络、LC滤波电路和负载组成。其中，准Y源阻抗网络由一个变比为N1：N2：N3的三端耦合电感、2个电容器C1和C2以及2组双向开关组成。若采用单向可控开关，由于反并联二极管的不可控特性，电路可能会出现不正常的工作状态。因此，所选用的每组双向开关由2个IGBT模块构成且采用互补控制方式，即在1个开关周期内分时段互补式导通和关断，在功率单向正常传输的前提下，可以最大限度地保证功率流双向传输时的可靠性。拓扑中所选取的IGBT开关管内部已反并联二极管，为逆导型器件，十分适合双向功率流传输。

1.2 变换器的正向工作状态

功率正向传输时，变换器工作在升压模式。此时，仅对开关管SW1和SW2施加脉冲信号使其互补交替导通，二极管和分别与开关SW1和SW2同时通断。与传统双向DC-DC变换器类似，双向准Y源DC-DC变换器在正向和反向工作状态下，也分别有直通和非直通2种工作模式。该状态下的主要工作波形如图2所示。

正向直通模式的等效电路如图3所示。电容C2向耦合电感N2和N3放电，直流电源和电容C1向电感L1释放能量，电感进行储能。各绕组电压之比等于匝数之比。此时

式中：Vin为直流输入电压；Vo为负载端输出电压；、和分别为正向直通模式下准Y源DC-DC变换器中的电感L1、L2和电容C1、C2两端的电压；VL为耦合电感N1两端的电压。

正向非直通模式的等效电路如图4所示。直流电源和电感L1经阻抗网络向电容放电，同时为负载提供能量。用V'L表示该状态下耦合电感N1两端的电压，则

经计算可得

表1和表2分别总结了改进型双向准Y源DC-DC变换器的绕组因数与匝数比和电压增益的关系以及不同类型双向DC-DC变换器在正向工作时的电压增益表达式。可以看出，在相同的绕组因数下，准Y源拓扑比Y源拓扑的电压增益更高；当满足且 N3-N2＞0时，双向准Y源 DCDC变换器的电压增益会远远高于双向准Z源DCDC变换器。可得

表1 改进型准Y源DC-DC变换器在不同绕组因数和匝数比下的电压增益Tab.1 Voltage gain of improved quasi-Y-source DC-DC converter with different winding factors and turns ratios

表2 不同双向DC-DC变换器正向工作时的电压增益Tab.2 Voltage gains of different bidirectional DC-DC converters in power forward transmission

由式（14）可确定准Y源DC-DC变换器中直通占空比D的取值范围。相比准Z源DC-DC变换器的占空比范围0～0.5，该占空比D的取值范围更小，为 0≤D＜1/3。

为进一步说明电压增益随绕组因数和占空比的变化情况，根据式（11）利用Matlab软件绘制出改进型准Y源DC-DC变换器在功率正向传输时的电压增益曲线，如图5所示。

由表1和图5可以看出，选择不同的绕组因数和占空比，会产生不同的电压增益。通过增加绕组因数K，可以在较小的直通占空比下得到更高的电压增益。另外，只要给出特定的绕组因数，就可以灵活选择耦合电感的匝数比。因此，与双向准Z源DC-DC变换器相比，本文提出的双向准Y源DCDC变换器不但能够灵活设计绕组匝数比，而且在相同条件下采用更小的直通占空比就可以实现更高的升压倍数，调压范围更宽，拓宽了其应用领域。

1.3 变换器的反向工作状态

功率反向传输时，变换器工作在降压模式。该过程与正向传输分析过程完全一致，此状态下各物理量之间的关系为

由表3可以看出，本文所提改进型高增益双向准Y源DC-DC变换器的升、降压能力均有很大提升，更重要的是，可以根据实际需要灵活选择合适的升、降压比，应用场合相对广泛。

表3 双向准Y源与双向准Z源DC-DC变换器的各项参数对比Tab.3 Comparison of various parameters between bidirectional quasi-Y-source and bidirectional quasi-Z-source DC-DC converters

2 仿真及实验结果

为了验证理论分析的正确性与可行性，首先运用Matlab/Simulink对本文提出的改进型高增益双向准Y源DC-DC变换器进行仿真，然后搭建实验样机进行验证，实验参数与仿真参数保持一致，如表4所示。变换器在正向工作状态下的仿真波形如图6所示。在图7所示的实验样机中，选用DSP芯片TMS320F28335产生占空比可调的互补PWM控制信号用以控制4个IGBT的导通与关断。将DSP芯片产生的四路PWM控制信号分为2组，每组内2路信号相同，2组之间信号互补，分别用来控制开关管

表5记录了该变换器在正向工作状态下的仿真和实验数值，与理论分析一致。图8为该变换器在正向工作状态下的仿真效率曲线，传输效率较高。图9和图10为电路的实验波形，由实验结果可以看出，本文所提双向准Y源DC-DC变换器可以实现功率的双向传输。当功率正向传输时，实现了升压功能；功率反向传输时，实现了降压功能。受开关管内阻等因素影响，该变换器的实际输出电压与理论值存在一定误差，但实验结果在误差允许范围内，验证了理论分析的正确性和可靠性。