文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.174072
中文引用格式： 房緒鵬，趙揚，于志學. 新型雙向DC/DC變流器在不停電電源系統中的應用[J].電子技術應用，2018，44(9)：141-145.
英文引用格式： Fang Xupeng，Zhao Yang，Yu Zhixue. Application of new bidirectional DC/DC converter in uninterruptible power supply system[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(9)：141-145.
0 引言
隨著分布式電源以及電池供電設備的快速發展，具有低成本、高性能等優點且能實現雙向傳輸功能的DC/DC變流器，在不停電電源系統、光伏發電系統等領域得到了廣泛的應用，已成為近年來國內外研究的熱點[1-3]。
為了提高不停電電源系統中DC/DC電源模塊的性能，針對傳統的雙向Buck-Boost型DC/DC變流器在實際應用中存在電壓增益較小、輸出電壓調節范圍較窄、開關電壓應力較大以及可靠性較差等問題，提出了一種新型雙向DC/DC變流器。與傳統的雙向Buck-Boost型DC/DC變流器相比，該新型雙向變流器設計構思是在拓撲結構上引入了電流型準阻抗源網絡[4]，準阻抗源網絡為變流器直流功率的雙向傳輸以及流向分配提供了一種新穎的概念，不僅提高變流器輸出電壓增益，減小開關電壓應力，而且具有良好的穩態響應和動態響應。
新型雙向DC/DC變流器[5-6]的提出，為實現功率雙向傳輸和流向分配功能提供了一種全新的電力電子拓撲結構，在克服傳統直流變流器不足的同時，又為雙向DC/DC變流器的發展與推廣探索出一條嶄新的道路。
1 直流不停電電源系統
直流不停電電源系統就是電路中電源模塊發生故障時，系統可以實現不停電更換，不會影響到系統正常運行，這就大大提高了系統可靠性。具體工作原理：在市電正常供電時，220 V交流電經AC/DC整流器轉變成負載端所需的直流電，電容C起到濾波的作用，等到電壓波形調整到穩定狀態后，對直流用電設備進行供電。同時，母線上的直流電壓經新型雙向DC/DC變流器降低到蓄電池的浮充電壓實現蓄電功能；在市電供電端出現故障時，蓄電池經新型雙向DC/DC變流器完成升壓達到負載端所需電壓等級，為直流用電設備供電[7]，其原理框圖如圖1所示。
2 新型雙向DC/DC變流器
直流不停電電源系統中雙向DC/DC變流器主電路如圖2所示，在電路結構中電阻R代表直流用電設備，電源Vi代表直流輸入電壓，12 V為蓄電池端電壓，其中虛線框內為新型雙向DC/DC變流器的拓撲，由2個電感(L1和L2)、2個電容器(C1和C2)、功率開關管(S1和S2)以及一個LC濾波網絡構成。功率開關管以互補的控制方式交替導通，主要工作在高頻開關狀態，控制信號由PWM技術負責提供。通過控制開關管的通斷改變其導通占空比，可以實現調節負載電壓輸出的目的。
3 變流器工作原理
3.1 功率正向傳輸的工作原理
由電路拓撲的元件參數對稱[8-9]，得：
當功率正向傳輸時，能量由左向右流動，根據一個周期內全控型器件的導通和關斷分為兩種狀態，其等效電路如圖3所示。
狀態a：開關管S1閉合、S2關斷，直流電源經過阻抗源網絡向負載提供電能，電容器充電，電感放電。在一個開關周期Ts內，該狀態持續時間為DTs，可得：
即：
式(6)中，M為變流器正向傳輸能量時的輸出電壓增益。
3.2 功率反向傳輸的工作原理
由能量由右向左傳輸分析得，圖2也分為兩種工作狀態c和d，其中S1和S2兩個開關器件互補導通，等效電路如圖4所示。
狀態c：開關S1導通、S2關斷狀態，直流電源向電容器C1、C2充電，電感L1、L2、L3放電，負載由電容器C供電。在一個開關周期Ts內，開關S1導通的時間為DTs，輸出電壓為Vo，有：
即：
式(11)中，M為變流器反向傳輸能量時的輸出電壓增益。
3.3 與傳統Buck-Boost型變流器增益比較
結合傳統Buck-Boost型變流器以及上述新型雙向變流器推導出的輸出電壓增益進行對比研究，利用MATLAB/Figure軟件繪制了2種拓撲結構關于電壓增益M與占空比D的關系曲線圖，如圖5所示。傳統Buck-Boost型變流器在主開關的導通占空比接近于1時，理論上可以實現無限高的輸出電壓，但實用電路會遇到控制、熱、效率等一系列問題。正向能量直流變流器在主開關導通比在0.5左右時，理論上可以實現無限高的電壓輸出，這樣主開關的開關導通時間較短，開關截止時間較長，有利于散熱。反向能量直流變流器同樣能夠實現無限高的輸出電壓，使得導通時間較短。綜上兩電路拓撲在相同占空比條件下，本文所提出的新型雙向直流變流器具有較高的電壓增益。
4 實驗結果
為了驗證上述理論分析及推導過程的正確性，在搭建仿真電路并得到正確結果的基礎上，為實驗電路選取合適的元件，電子元器件的參數如表1所示。按照圖1和圖2所示的電路圖搭建出實驗電路模型中的主電路部分；控制信號部分通過TMS320F2812產生4路[11-12]PWM信號，每兩路波形互補；全控開關選用型號為SGH80N60UFD 的IGBT開關管，驅動電路由KA962F驅動板和過流過壓保護電路組成。
由示波器測得輸出電壓Vo的波形如圖6和圖7所示。圖6為能量正向傳輸時取D=0.2和D=0.8所測的實驗波形，圖7為能量反向傳輸時取D=0.3和D=0.7所測的實驗波形。采用數字萬用表分別測量能量正向和能量反向時，實驗電路模型中電阻R兩端的輸出電壓值，即圖6(a)輸出電壓Vo=－7.97 V，圖6(b)輸出電壓Vo=31.36 V，圖7(a)輸出電壓Vo=－31.29 V，圖7(b)輸出電壓Vo=13.60 V。
由圖6和圖7實驗波形結果可以看出，該新型雙向能量直流變流器輸出電壓較穩定。能量正向和能量反向傳輸時，都能實現電路拓撲的升壓和降壓的功能，也證實了該新型變流器可以承擔系統能量雙向傳遞的工作，在一些需要能量雙向傳遞的場所可以發揮舉足輕重的作用。由于電路本身的損耗，如IGBT開關器件內阻、二極管內阻損耗等，實驗波形結果值與理論分析值存在一定的差異，但符合實際電路系統的工作要求。
5 結論
通過分析基于準阻抗源的新型雙向直流變流器，在傳統雙向變流器的基礎上引入新穎的準阻抗源網絡，為不停電電源系統的雙向傳輸以及流向分配提供了一種新穎的概念。其中變流器主電路與電源或負載耦合在一起，提供了有利的降壓和升壓功能，克服了傳統Buck-Boost型變流器。通過構建的實驗電路模型，實驗結果證明了理論分析及推導過程的正確性。與傳統的Buck-Boost型直流變流器相比，該新型雙向直流變流器具有以下優越性：(1)電壓增益較高；(2)輸出電壓較穩定；(3)能量可以雙向傳輸。
參考文獻
[1] 房緒鵬，莊見偉，李輝，等.新型電流型雙向功率流準Z源直流變換器[J].電氣傳動，2017，47(1)：32-35.
[2] FANG X.A novel Z-source dc-dc converter[C].IEEE International Conference on Industrial Technology.IEEE，2008：1-4.
[3] YANG L，QIU D，ZHANG B，et al.A quasi-Z-source DC-DC converter[C].Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE)，2014 IEEE.IEEE，2014：941-947.
[4] 胡龍，羅安，呂志鵬.雙向高效準Z源變換器的充電機研究[J].電網技術，2014，38(2)：341-346.
[5] 董云云，蘇鳳，孫玉梅，等.基于恒最大化升壓比Z源三電平中點鉗位逆變器研究[J].科學技術與工程，2017，17(2)：220-224.
[6] 劉勝杰，吳苓芝.一種準Z-源DC-DC變流器的研究[J].微型機與應用，2012，31(17)：33-36.
[7] 梁喆，歐陽名三.基于SG3525礦用直流變換器控制電路的設計[J].電源技術，2012，36(2)：245-247.
[8] 郭海濱，張崇巍，張興，等.一種應用于光伏系統的雙向DC/DC變換器[J].電力電子技術，2010，44(6)：51-52.
[9] 李少林，姚國興.一種風光互補發電系統中雙向DC/DC變換器研究[J].電氣傳動，2010，40(3)：60-62.
[10] SIWAKOTI Y P.High-voltage boost quasi-Z-source isolated DC/DC converter[J].Iet Power Electronics，2014，7(9)：2387-2395.
[11] 王利民，錢照明，彭方正.Z源升壓變換器[J].電氣傳動，2006，36(1)：28-29.
[12] 房緒鵬，馬伯龍，趙珂，等.一種小電容器電壓應力的準Z源AC/AC變換器[J].電子技術應用，2017，43(5)：151-154.
作者信息:
房緒鵬，趙 揚，于志學
（山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島266590）