高压多电平双向DC-DC变换器文献综述

高压多电平双向DC-DC变换器文献综述

一、前言

本次文献调研的主题为高压多电平双向DC-DC变换器。下载到的文献中与该主题相关的有10篇，完全符合该主题的文献有参考文献[1][2][3][4]，其它6篇文献则侧重于高压和双向这两个关键词。以下是文献调研的主要内容。

二、主要内容

文献[1] [2]介绍了一种电容箝位的模块化多电平双向DC-DC变换器。该变换器由5个独立的模块级联而成，每个模块由三个MOS管和一个箝位电容组成，如下图所示。通过控制每个模块中MOS管的通断可以使每个模块运行在正常工作和旁路状态，选定不同模块的工作状态可以实现不同电平的输出，并且可以使输入输出电压的比值不同。从每个模块的电路结构可以看出，能量可以实现双向流动。从下图1可以看出整个电路中没有像常规的DC-DC变换器那样使用电感作为储能装置，这种无感设计的原则提高了装置的效率和可靠性。

本文中作者的实验装置功率为5kW，电平数为6。当输入电压为250V，负载为1.76Ω时，装置效率达到了95.1%。

图1. 电容箝位的模块化多电平双向DC-DC变换器

文献[3]介绍的电容箝位的模块化多电平双向DC-DC变换器与上文介绍的拓扑结构一样。文中详细分析了该电路的不同工作状态和等效电路图，该拓扑相比传统的飞跨电容型多电平变换器可以减少开关管的数量和电容耐压等级。

文献[4]介绍的模块化多电平双向DC-DC变换器的拓扑结构类似于测井变频电源的拓扑结构，它的每个模块拓扑为移相全桥电路，整个变换器由模块的输入并联输出串联组合而成，如下图2所示。之所以采用这样的拓扑是与作者研究的方向——波浪能发电有关。

在文中，作者着重叙述了梯形载波的控制方法与三角载波控制方法的不同，提出了梯形载波控制方法能够提高装置的效率。梯形载波控制方法中的开关频率是通过迭代的算法计算得到的。该方法最大的优点是根据实际的功率需求情况，依据装置的效率曲线来决定每个模块是处于并联工作状态还是旁路工作状态。在文中作者通过两模块的实验来证明梯形载波控制方法能够使装置运行在最大效率点处。

图2. 模块化多电平双向DC-DC变换器

文献[5]介绍了一种高压双向单端反激变换器，该拓扑结构如下图3所示。

图3. 高压双向单端反激变换器

在充电模式下开关频率是变化的，在放电模式下开关频率是固定的。这种拓扑结构主要应用在容性负载的机械传动装置中进行供电。该装置的特点是可以实现宽范围的电压输出和高的效率。

文献[6]介绍的双向DC-DC变换器主要应用在储能系统中，主电路拓扑如下图4所示。该拓扑分为5个部分，低压电路、箝位电路、中压电路、升降压电路和高压电路5个部分。该拓扑最主要的特点是使用的开关器件较少，采用3个开关管就能实现能量的双向流动。在保证耦合电感匝数相对较少的情况下依然能实现较高的电压增益和效率。由于耦合电感的使用，当电路处于升压状态时开关管的电压应力与输入电压没有直接的关系，这使得对于不同的电压等级的电池作为

输入电源时该电路依然可以使用。

图4.储能系统中的双向DC-DC变换器

文献[7]介绍的高压双向DC-DC变换器应用在电力机车（3kV，1.5kV和0.75kV）当中，其主电路拓扑结构如下图5所示。

图5.电力机车中的高压双向DC-DC变换器

相比现在的单相多电平中点箝位的DC-DC变换器，该变换器对于箝位二极管和电容的耐压等级要求较低，这样可以降低装置的成本和体积。图中是一个4单元模块的变换器，根据实际使用需求还可以增加模块的数量。

文献[8]介绍的高压DC-DC变换器拓扑结构如下图6所示，该拓扑结构具有以下特点：一、由于DC-AC部分采用三模块串联而成，因此开关管电压应力为输入电压的三分之一，可选择低耐压等级的开关管，且可减小导通损耗；二、采用的软开关技术可以减小开关损耗；三、因为变压器的使用，装置输出电流增加3倍，增大了装置的功率等级。

本文作者的试验装置额定参数为4.5kW，输入1000V，输出48V。

图6.文献[8]主电路拓扑图

文献[9]介绍的高压DC-DC变换器拓扑结构如下图7所示。从拓扑可以看出变压器原边主电路组成其实可以为4个全桥谐振变换器，这是个全桥谐振变换器的谐振电容的容值是从大到小，因此这4个全桥谐振变换器是单独受控的。因为不同的谐振电容容值，所以每个全桥谐振变换器的输出电压不同，通过控制每个全桥谐振变换器的工作时间可以在变压器输出侧得到16种电压值。这里开关管的通断是依据不同的功率需求来确定的。如果将每个全桥谐振变换器的输出电压值定为A、B、C和D，那么依据功率等级不同，在16个功率等级下4个全桥谐振变换器的工作情况如下表1所示。

图7. 文献[9]主电路拓扑图

表1.不同功率等级下各谐振变换器工作状态表

在仿真中，在40kHz下该拓扑的输出电压可接近20kV。

文献[10]介绍的是一种多相级联DC-DC变换器，其拓扑结构如下图8所示。该拓扑的运行方式与模块化多电平变换器类似，但是在本拓扑中交流电压和电流只是用来对功率进行重新分配。

对于不同的直流输入电压和模块采用半桥还是全桥，作者分析了相位控制的不同特征。

图8. 多相级联DC-DC变换器

参考文献:

[1]. A 5-kW bi-directional multilevel modular DC-DC converter(MMCCC) featuring built in power management for fuel cell and hybrid electric automobiles.

[2]. Bi-directional power management and fault tolerant feature in a 5-kW multilevel DC-DC converter with modular architecture.

[3]. A multilevel DC-DC converter with high voltage gain and reduced component rating and count.

[4]. Bidirectional modular multilevel DC-DC converter control and efficiency improvements through separate module control method.

[5]. High voltage bi-directional flyback converter for capacitive actuator.

[6]. High-efficiency bidirectional DC-DC converter with high-voltage gain.

[7]. High-voltage bi-directional DC-DC converter for advanced electrical locomotives.

[8]. A high-voltage DC-DC converter with low-voltage stress and output current tripler.

[9]. A multi power band high voltage DC-DC converter.

[10]. The polyphase cascaded-cell DC-DC converter.