基于开关电容和耦合电感的交错并联型高电压增益双向DC-DC变换器

天津大学智能电网教育部重点实验室、国网济宁供电公司的研究人员薛利坤、王萍、王议锋、闫海云、张启亮，在2016年第24期《电工技术学报》上撰文，提出一种基于开关电容和耦合电感的交错并联型高电压增益双向DC-DC变换器。通过并联通道数的增加，使得变换器具有更高的电压增益、更大的输出功率和更小的器件电压/电流应力。

通过引入耦合电感，不仅降低了通道内电流纹波，同时可使各通道的电感量最小，进一步提升变换器的效率和功率密度。而且，较小的电感量可加快开关电容自动均流速度，仅需简单的控制方法，有利于提高电路的可靠性和实用性。制作了一台500W样机，以验证该拓扑和理论分析的有效性。

分布式储能装置在交直流微电网和分布式可再生能源并网发电系统中扮演至关重要的角色，为了解决储能装置并联时的低电压和并网所需高电压之间的电压水平不匹配问题，需要用到高增益型双向DC-DC储能变换器[1-3]。

近年来提出的多种高升压比电路拓扑可分为隔离型和非隔离型两类，非隔离型高增益双向变换器主要包括开关电容拓扑、开关电感拓扑、耦合电感拓扑和基于电容-二极管的倍压拓扑等[1-7]。其中，开关电容变换器由于具有重量轻、功率密度高等优点而被广泛采用[4-6]。然而，开关电容充、放电过程中各功率器件上存在较大的电流冲击[1]。

为了解决此问题，文献[6,8]提出了一类升压型开关电容谐振变换器。文献[9]则提出了一种基于开关电容的双向谐振变换器。上述谐振型开关电容拓扑，可以实现高电压增益和较高效率，但是，极大的输入电流纹波和较为复杂的电路结构，使得这些拓扑仅适用于小功率应用场合。耦合电感变换器往往具有电路结构简单、所需开关器件较少、电路增益可灵活调节等特点[2]，但与谐振型开关电容拓扑一样，仍具有较大输入电流纹波，较难满足大功率应用的需要。

为了减小输入电流纹波和开关器件的电压应力，文献[10]提出了一种带开关电容网络的两相交错并联型高增益Boost变换器，并对其工作原理和各功率开关器件电压应力进行了分析。

在此基础上，文献[11]提出了一种基于开关电容的两相交错并联双向变换器，能够减小输入电流纹波和开关器件电压应力，并实现能量的双向流动。但较大的电感量和输入、输出滤波电容导致其自动均流的动态特性较差，变换器易出现电流尖峰甚至失稳，另外其升压、降压模式下最高效率仅为91%和90%。

本文在上述研究的基础上提出一种基于开关电容和耦合电感的4相交错并联双向变换器拓扑。目标是进一步提高双向变换器的效率和功率密度，减小功率器件电压、电流应力以及进一步提高变换器电压增益，最终使其满足较大功率分布式储能充、放电需求。

该变换器拓扑如图1所示，1、3相和2、4相的PWM驱动信号分别相同，1、2相和3、4相分别共用一个匝比为1∶1的耦合电感，不考虑电感耦合作用，假设各相电感量相同L1=L2=L3=L4=L。电路利用开关电容C1、C2、C3及CH实现高增益的升压、降压功能，各开关管的最大电压应力约为VH/2。

电路工作在电感电流连续模式（Current Continuous Mode，CCM）升压时，能量从VL流向VH，为了避免所有开关管关断时所产生的通道内环流，S1～S4门极驱动信号的占空比D1＞0.5，此时Q1～Q4工作在同步整流状态以进一步提高变换效率。相应地，当电路工作在降压模式时，能量从VH流向VL，此时Q1～Q4门极驱动信号占空比D2＜0.5，而S1～S4将工作在同步整流状态。

上述占空比D1和D2互补的特性，使得该变换器在升压和降压模式下各开关管占空比的工作范围不变，从而可以采用简单而统一的PWM控制方法，有利于变换器的推广和应用。

图1  所提出的高增益双向直流变换器拓扑

结论

本文提出了一种基于开关电容和耦合电感的交错并联型双向高电压增益DC-DC拓扑。该拓扑克服了传统非隔离型高电压增益双向变换器存在的诸多问题。根据500W样机实验结果，可以看出：通过并联通道数量的增加，该拓扑显著降低了各功率器件的电压和电流应力。同时，采用耦合系数优化设计后的耦合电感，进一步减小了电感量和电感体积，降低了通道内电感电流纹波，改善了变换器自动均流时的动态性能。

不同工作模式下，电感电流纹波小于1A，自动均流系数高于0.95，各开关管的电压应力最大约为VH/2。变换器在升压和降压模式下可分别达到96%和94.8%的满载效率。证明了所提出的变换器拓扑非常适用于大功率储能充放电应用场合。