使用集成磁技术消除所有端口电流纹波的三端口 DC/DC 转换器外文翻译资料

 2021-11-22 09:11

英语原文共 13 页

2174 IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 31, NO. 3, MARCH 2016

使用集成磁技术消除所有端口电流纹波的三端口 DC/DC 转换器

Hongyu Zhu, Student Member, IEEE, Donglai Zhang, Member, IEEE, Qing Liu, and Zhicheng Zhou

摘要

本文介绍了一种新型的集成磁性具有高功率密度和所有三个端口电流纹波消除的三端口转换器 (IMTPC)。所提出的 IMTPC 可以连接光伏电池直流电源系统的一个光伏端口、一个双向电池端口和一个负载端口。为了同时实现功率转换、纹波消除和开关驱动器,IMTPC 中只需要两个高功率磁性器件。为了实现三个端口的电流纹波消除,增加了三个额外的电容器。因此,IMTPC 的端口将始终处于具有 “零电流纹波” 的连续导通模式,因此, 减小了无源滤波器的体积,提高了最大功率点跟踪的精度。同时,通过集成磁绕组可以实现高边开关的简单驱动,这是 MOSFET 驱动器电压电平偏移的原因。第E.综合磁性技术的使用不仅具有上述各种优点,而且在降低 dc-dc 转换器的重量和体积方面显示出巨大的潜力。最后,通过实验验证了所提出的拓扑结构和控制方法的可行性和有效性。

关键词:集成磁性技术 最大功率光伏电池 功率密度 纹波抵消 三端口转换器 (TPC)。

11月17日收到手稿; 4月15日、 1月15日、和修改; 收到手稿。发布日期可能为 14,2015 年; 当前版本的日期为 11月16日。这项工作得到了赠款 JCYJ20140417172417127 下的深圳科技计划项目及其中国空间技术研究院的基金的部分支持。推荐副编辑 M.Duffy 出版。

H. 朱和 D.张在中国深圳 518055 哈尔滨工业大学深圳研究生院电力电子与运动控制研究中心工作 (电子邮件: zhuhongyu505@163.com; zhangdl@hitsz.edu.cn)。

Q. 刘在中国哈尔滨 150001 哈尔滨工业大学工作 (电子邮件: liuqing304@163.com)。

周志军,中国空间技术研究院,北京 100081 (电子邮件: cougasong@163.com)。

本文中一个或多个数字的彩色版本可在 http://iexplore.ie.org 在线获得。

数字对象标识符 10.1109/TPEL.2015.2433675

一 引言

近年来,三端口转换器 (TPCs),连接一个光伏端口,一个双向电池端口和一个负载端口光伏电池直流电源系统已经成为可再生能源系统,特别是航天飞机电源系统的一个很好的选择。由于 TPCs 的高功率密度和高效率的优点,它吸引了对各种应用 [1]-[4] 的创造性研究兴趣。完全隔离的 TPCs 可以适应不同的端口电压等级为每个端口提供电气隔离。然而,由于采用了全桥架构,转换器使用了大量的电源设备。完全隔离的 TPCs 的控制方法是复杂的。为了减少元件数量,简化控制方法,提出了具有部分电气隔离的三端口半桥控制器。为了能够集成三个端口,功率转换器应该具有匹配不同直流电压水平的能力。这种配置有以下缺点: 它仅适用于主电源和存储的低工作电压几乎相等的应用程序 (或半) 操作输入电压,并在所有不同的操作模式下使用电池组,这降低了其寿命 [5]-[11]。非隔离的 TPCs,通常来自降压、升压、降压-升压等。与隔离的 TPCs 相比,结构更紧凑,功率密度更高,效率更高。

在 [12] 中,该拓扑具有更高的效率、更少的功率元件以及两个双向电流流动端口。但是光伏和电池的电压必须小于负载端口的电压,并且输出电流不连续,导致输出电流的控制和电流共享非常困难, 电流不连续的特性会产生很大的端口过滤器。在 [13] 中引入了三开关双向拓扑,所有三个端口的电流都是连续的,并对开关数量进行了优化,实现了更紧凑的设计。但是,由于这三个端口没有一个共同的基础,因此,电力系统的安全性是无法实现的。[14]-[16] 中提出的转换器可以连接单向输入电源端口和存储元件的双向端口。只有一两个功率电感器然而,已经使用了 s,功率设备的数量非常高。[17] 中给出了一种生成非隔离 TPCs 的系统方法,这些转换器由于一阶段转换而具有高集成和高效率。但功率器件达到 6 个,端口电流不连续,导致端口滤波器体积庞大; 此外,传统的升压转换器的固有缺点也决定了转换器的动态性能。在 [18] 中,提出了一种用于卫星调节电源总线的多端口 dc/dc 转换器。该转换器通过共享一些常见的功率器件来实现高功率密度,并通过电流控制来提高模块化性能。然而,由于变频器的电池端口电压必须高于母线电压,这就给电池的设计带来了困难。安全。此外,它是从光伏到负载端口的两级功率转换,降低了整个转换器的效率。此外,为了使光伏电压接近电池电压以获得更高的效率,光伏设计将是困难的,因为充电和放电时电池的电压会改变在 [19] 和 [20] 中,提出了一种具有高压增益的 TPC。但是半导体功率器件的数量在 6 个以上,使得整个系统的设计变得复杂,电池端口的电流不连续。

开关电源转换器的纹波电流会产生滤波困难、控制问题、输出电压噪声等问题。为了最小化转换器的端口电流纹波,应该选择大的端口电感值,因为端口电流纹波与其端口电感值成反比。然而,大的电感器值会导致 [21-[23] 的动态响应更差。设计良好的端口滤波器能够降低输入电流纹波并提高 EMC 性能,但是 filer 的尺寸和重量是非常不可接受的,尤其是在高功率应用中 [24], [25]。纹波抑制技术为提高功率转换器性能提供了一种方法,耦合电感纹波消除网络 (RCN) 可以在不显著增加尺寸的情况下大大降低电流纹波转换器 [23] 、 [26]-[35] 的重量。

磁性元件一般占据 dc-dc 转换器 [36] 、 [37] 的重量约为 30-40% 公斤,体积约为 20-30% 公斤。集成磁性技术是指将所有磁性部件集成在一个核心中,以减轻 [32]、[38]-[40]的重量和体积。

本文的主要贡献如下。1) 提出了一种新的非隔离三端口拓扑: 与最先进的拓扑相比,所提出的三端口转换器具有非常高的功率密度。仅使用了 4 个功率半导体器件和 2 个大功率磁性器件,所有端口都以连续导通模式工作,这将减小每个端口滤波器的尺寸。在电池的使用过程中,电流的加入可以提高电池的效率,延长电池的使用寿命,提高最大功率点跟踪的准确性。此外,电池组仅在系统需要时才会参与,因此其寿命会增加。2) 与 [21]-[32] 中的 RCNs 不同,对于传统的双端口转换器,三端口转换器的纹波消除方法已经得到了支持本文中所有端口电流纹波消除的 osed。通过电流 RCN,集成磁三端口转换器 (IMTPC) 每个端口的 “零电流纹波” 可以在不显著增加转换器尺寸和重量的情况下实现,提高了整个拓扑的 EMC 性能,并使 IMTPC 能够以更高的精度从 PV 中获得最大功率。此外,为了冗余和提高功率能力,几个 IMTPCs 可以很容易地并联,并且可以避免电容器和电感器等笨重的滤波器组件。很明显,RCN 中的电容器和感应元件的功率损耗和质量都比笨重的滤波器小得多。

3)通过在功能为 MOSFET 驱动器电压电平偏移的磁性元件中添加额外的绕组,可以实现高侧开关的简单快速驱动。此外,由于光伏和负载端口之间或电池和负载端口之间的单级功率转换,IMTPC 在光伏电池应用中显示出高效率。

2 建议的拓扑和操作原则

2.1 IMTPC 拓扑的推导

现将 IMTPC 拓扑推导过程总结如下。

第一步:如图 1 (a) 所示,光伏电源的一个转换器电池充电和放电的转换和一个双向 dc/dc 转换器是光伏电池直流电源系统的基本架构。这里选择了双电感升压拓扑来实现光伏功率调节,并选择了双电感双向降压 (其中功率二极管被 MOS-FETQ3) 用于电池充电和放电调节。与传统的升压或降压拓扑不同,双电感升压和双电感双向降压拓扑具有连续输入和输出电流 [41]-[43] 的优点。

第二步:如图 1 (b) 所示,两个功率电感器 (L1和L2) 、储能电容器C1和总线输出电容CBUS可以共享。L3是为了确保电压秒而添加的所有三个电感器的平衡。

第三步:如图 1 (c) 所示,两个功率电感器 (L1和L2) 已经耦合在一起。

第四步:与图 1 (b) 中的拓扑结构相比,两个主功率电感器L1A和L1B已经和辅助电感耦合在一起了L1 C已添加用于取消 PV 端口电流纹波的一部分。L2B已经添加到主翼顶L2A用于取消 PV 端口电流纹波的另一部分,以及L2C已添加用于取消电池端口的电流纹波。额外的三个电容器CR1,CR2,和CR3与三个超低功耗电感器一起LR1,LR2,和LR3为了实现取消纹波消除,还增加了其他MOSFET 等功率元件Q1-Q3,二极管D1和端口电容器CBUS,CBAT和CIN也可以在图中找到。Lleak的漏电感是L1。VSA,VBAT,和VBUS表示 PV 端口、电池端口和负载的电压分别是港口的工作周期Q1-Q3代表的是d1-d3。分别的,D2和D3是互补的。图 1 (d) 显示了具有传统隔离 MOSFET 驱动器的提议转换器。

第五步:绕组L1 D和L1 E也被添加到已实现Q1和Q2司机的电压水平变化,使简单的低端驾驶成为可能的作用L2 D几乎是一样的L1 D和L1 E,但是开车Q3应该使用电平移位电路,因为参考L2 D

VB AT。最后,图 1 (e) 中显示了所提出的 IMTPC。

2.2 IMTPC 的工作原理

根据光伏发电功率和负载需求功率之间的关系,IMTPC 将在不同的潮流模式下工作 [10]。用以下假设说明了电路工作和分析的原理: 1) 假设所有开关都是理想的; 2) 电容器的电压纹波C.1,C.,C.R1,C.R2,C.R3,和C.B 你 S可以忽略不计3) 开关驱动的绕组电流可以忽略不计。

图 1.推导过程 (a) 基于双电感升压和双电感双向降压的传统设计。 (b) 磁集成前提议的转换器。 (c) 主电感耦合的拟议转换器。 (d) 具有传统隔离驱动器的拟议转换器。 (e) 拟议的 IMTPC。

在一个开关周期内的转换器操作可以分为四个不同的间隔。转换器分析开始在瞬间T0。开关周期内的关键波形如图 2 所示,而不同工作间隔下的相应等效电路如图 3 所示。 RCNs 的功率流路径没有绘制, 因为他们总是在工作还显示了双输入模式和双输出模式下的电流流向。

间隔时间[T0,T1]:在时间T0,Q1Q3打开。电流路径如图 3 (a) 所示。的电流L1 BL2 A电流线性增加LR1,LR2,和LR3线性减少。两端电压L1 A与两端电压相等且相反L1 B。这样一来,两端的电压L李 k和纹波电流L李 k接近零,输出纹波电压接近零。同时,电压LR1与两端的电压相反L1 B,电压跨越LR2LR3与两端的电压相反L2 A。微分方程如 (1) 所示,当开关Q1在t1关闭时,这个区间结束。

图 2.

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