應(yīng)用于直流配電網(wǎng)的雙向全橋直流變換器比較分析

孫謙浩 ，王 裕 ，宋 強(qiáng) ，趙 彪 ，李建國(guó)

（1.清華大學(xué) 電機(jī)系 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

近年來(lái)，直流配電網(wǎng)因其線(xiàn)路造價(jià)低、電能損耗小、供電可靠性高、儲(chǔ)能和新能源發(fā)電系統(tǒng)接入成本低等技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)逐漸受到人們的關(guān)注［1-9］。在直流配電網(wǎng)的發(fā)展過(guò)程中，直流變換器作為其關(guān)鍵設(shè)備得到了學(xué)者們的廣泛研究［10］?；诟哳l隔離的雙向全橋直流變換器（DAB）因具有電氣隔離、能量可雙向傳輸、高功率密度、噪音小、污染小等優(yōu)點(diǎn)，在直流變壓以及雙向功率傳輸?shù)葓?chǎng)合的應(yīng)用中逐漸成為研究熱點(diǎn)［11-12］。文獻(xiàn)［13-18］分別從拓?fù)涓倪M(jìn)、電氣特性、電流應(yīng)力、死區(qū)效應(yīng)、軟開(kāi)關(guān)行為、系統(tǒng)損耗與效率分析等方面對(duì)非緩沖式DAB進(jìn)行了深入的探討和分析。文獻(xiàn)［19-21］對(duì)電容緩沖式DAB（CBDAB）進(jìn)行了功率損耗分析、電壓波動(dòng)限制分析、采用不同材料的開(kāi)關(guān)管的影響對(duì)比分析及其在航空系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。但上述研究在對(duì)電容緩沖式DAB分析中，都忽略了緩沖電容對(duì)高頻鏈波形的影響，而且缺少對(duì)緩沖式DAB與非緩沖式DAB軟開(kāi)關(guān)特性的比較分析，以及緩沖電容對(duì)高頻環(huán)節(jié)電壓du/dt、變換器傳輸功率和回流功率的影響分析。

本文首先針對(duì)非緩沖式DAB的半軟開(kāi)關(guān)特性，對(duì)電容緩沖式DAB采用了死區(qū)時(shí)間移相控制。在實(shí)現(xiàn)電容緩沖式DAB的全軟開(kāi)關(guān)行為的同時(shí)，對(duì)非緩沖式DAB應(yīng)用中高頻環(huán)節(jié)存在較大du/dt的關(guān)鍵問(wèn)題也具有良好的抑制作用，減小了過(guò)大du/dt對(duì)高頻變壓器（HFT）的絕緣危害，拓寬了電容緩沖式DAB在直流配電網(wǎng)，特別是在中高壓直流配電網(wǎng)中的適用范圍。然后，針對(duì)電容緩沖式DAB與非緩沖式DAB，本文詳細(xì)分析并比較了二者的開(kāi)關(guān)特征，從而得出了緩沖電容對(duì)高頻環(huán)節(jié)波形的影響規(guī)律。在對(duì)比開(kāi)關(guān)特征的基礎(chǔ)上，對(duì)緩沖電容與du/dt的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的分析，結(jié)果表明緩沖電容越大，對(duì)高頻環(huán)節(jié)電壓du/dt的抑制作用越明顯。此外，針對(duì)電容緩沖式DAB與非緩沖式DAB的不同開(kāi)關(guān)特征帶來(lái)的影響，從傳輸功率與功率因數(shù)2個(gè)角度分別進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并且推導(dǎo)出二者傳輸功率表達(dá)式與功率因數(shù)表達(dá)式的統(tǒng)一形式，得到二者之間的聯(lián)系與區(qū)別。最后，通過(guò)仿真與樣機(jī)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了理論分析的正確性。

1 移相控制與死區(qū)移相控制

1.1 非緩沖式DAB與電容緩沖式DAB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1（a）給出了非緩沖式DAB變換器與電容緩沖式DAB變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中，VT1—VT4、V′T1—V′T4分別為 H1橋、H2橋的開(kāi)關(guān)器件；VD1—VD8為與開(kāi)關(guān)器件反并聯(lián)的二極管。對(duì)于非緩沖式DAB，其開(kāi)關(guān)組成圖中的S′，只包括開(kāi)關(guān)管及與其反并聯(lián)的二極管；而對(duì)于電容緩沖式DAB，其開(kāi)關(guān)組成圖中的S，即以S′為基礎(chǔ)，在開(kāi)關(guān) VT1— VT4、V′T1—V′T4兩端分別并聯(lián)緩沖電容C1—C8（包括開(kāi)關(guān)器件自身寄生電容），從而構(gòu)成電容緩沖式開(kāi)關(guān)。

1.2 移相控制與死區(qū)移相控制

圖1（b）與 1（c）分別給出了非緩沖式 DAB移相控制與電容緩沖式DAB死區(qū)移相控制的原理圖。圖中S1—S4、Q1—Q4分別為開(kāi)關(guān)管VT1—VT4、V′T1—V′T4的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，D為H1橋與H2橋的移相比，M為死區(qū)系數(shù)，K為電容緩沖系數(shù)。從圖中可以看出，在非緩沖式DAB中采用移相控制下，各個(gè)開(kāi)關(guān)的觸發(fā)脈沖是占空比為50%的方波，而死區(qū)移相控制下的開(kāi)關(guān)管脈沖由于死區(qū)時(shí)間的存在，并不是方波。通過(guò)設(shè)定合理的死區(qū)時(shí)間，以滿(mǎn)足電容緩沖式DAB中緩沖電容的能量交換，便可以提高變換器的運(yùn)行性能與效率（死區(qū)時(shí)間設(shè)定條件將在下文3.1節(jié)中進(jìn)行分析）。

圖1 非緩沖DAB與CBDAB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制原理Fig.1 Topological structure and control principle of CBDAB and DAB without buffer

2 電容緩沖式DAB與非緩沖式DAB開(kāi)關(guān)特性比較

由于DAB類(lèi)變換器在運(yùn)行過(guò)程中的對(duì)稱(chēng)性，因此本文以半個(gè)開(kāi)關(guān)周期為例，對(duì)電容緩沖式DAB與非緩沖式DAB的開(kāi)關(guān)特性進(jìn)行分析與比較。假設(shè)變換器已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，而且電感足夠大，能夠維持死區(qū)時(shí)間內(nèi)的電感電流不變向，那么分別對(duì)圖1（b）與圖1（c）進(jìn)行分析，可以得到二者的開(kāi)關(guān)特性如下。

2.1 電容緩沖式DAB開(kāi)關(guān)特性與高頻環(huán)節(jié)波形特征分析

a.t0—t′0階段。t0前，H1橋開(kāi)關(guān)管 VT2、VT3導(dǎo)通，H2橋開(kāi)關(guān)管 V′T2、V′T3的續(xù)流二極管 VD6、VD7導(dǎo)通。t0時(shí)，VT2、VT3關(guān)斷，由于死區(qū)時(shí)間的存在，VT1、VT4并未導(dǎo)通；由于緩沖電容C2、C3的電容電壓保持為0，因此，開(kāi)關(guān)管VT2、VT3實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。當(dāng)VT2、VT3關(guān)斷后，由于緩沖電容 C1、C4的箝位作用，VT1、VT2的續(xù)流二極管VD1、VD2不能導(dǎo)通，此時(shí)，電感電流只能強(qiáng)制對(duì)電容 C1、C4放電，對(duì)電容 C2、C3充電。H1橋中的電感電流流經(jīng)2條通路，分別為：流經(jīng)C1、C3，對(duì)C1進(jìn)行放電，對(duì) C3進(jìn)行充電；流經(jīng) C2、C4，對(duì) C4進(jìn)行放電，對(duì)C2進(jìn)行充電。假設(shè)緩沖電容的參數(shù)完全相同，電容值都為C，則流經(jīng)每一通路的電流為iL/2。此時(shí)，電路方程可表示為：

式（1）為二階方程，由初始條件 uC1（0）=U1，uC3（0）=0，iL（0）=-I0，可得：

其中，ω0為諧振頻率；Z0為諧振阻抗；θ0、k 為由初始條件決定的參數(shù)。

由式（2）可知，t0— t′0階段中電感電流為正弦變化，緩沖電容電壓與高頻變壓器的高頻鏈電壓uh1均為余弦變化。這與非緩沖式DAB方波調(diào)制中的垂直上升不同，可以明顯減小uh1的du/dt變小，避免其對(duì)高頻變壓器帶來(lái)的絕緣損害。

b.t′0— t1階段。t′0時(shí)，電容 C1、C4上的電荷分別全部轉(zhuǎn)移到電容 C2、C3上，uC1、uC4變?yōu)?0，uC2、uC3變?yōu)閁1。由于電感足夠大，電感電流并沒(méi)有反向，只是相比t0時(shí)的電流略微有所減小，因此，續(xù)流二極管VD1、VD4導(dǎo)通，uh1變?yōu)閁1。這個(gè)過(guò)程中，由于電流反向，左側(cè)在吸收功率，電感將能量返送到左側(cè)電源，這部分功率稱(chēng)為回流功率。該過(guò)程中，電感兩端電壓與電感電流可以表示為：

c.t1—t2階段。t1時(shí)，開(kāi)關(guān)管 VT1、VT4死區(qū)時(shí)間結(jié)束，由于此時(shí)續(xù)流二極管VD1、VD4仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此VT1、VT4實(shí)現(xiàn)了零電壓零電流導(dǎo)通且式（4）適用于該階段。

d.t2—t′2階段。t2時(shí)，電感電流變?yōu)?0，續(xù)流二極管 VD1、VD4關(guān)斷，但由于 VT1、VT4已經(jīng)導(dǎo)通，因此，uh1保持U1不變，電感電流反向，續(xù)流二極管VD6、VD7關(guān)斷，電流流過(guò)V′T2、V′T3。該過(guò)程中，由于電感兩端電壓未發(fā)生變化，式（4）仍然適用于該階段。

e.t′2—t3階段。t′2時(shí)，V′T2、V′T3關(guān)斷，由于緩沖電容C2、C3電壓不能突變，V′T2、V′T3關(guān)斷過(guò)程為零電壓關(guān)斷。與t0—t′0階段相似，此過(guò)程中電感電流為正弦變化，緩沖電容電壓與高頻鏈電壓uh2均為余弦變化。

f.t3—t′3階段。與t′0—t1階段相似，t3時(shí)，電容C5、C8上的電荷分別全部轉(zhuǎn)移到電容 C6、C7上，uC5、uC8變?yōu)?，uC6、uC7變?yōu)閁2。由于電感足夠大，電感電流并沒(méi)有反向，因此，續(xù)流二極管 VD5、VD8導(dǎo)通，uh2變?yōu)閚U2。

g.t′3— t4階段。t′3時(shí)，開(kāi)關(guān)管 V′T1、V′T4死區(qū)時(shí)間結(jié)束，由于此時(shí)續(xù)流二極管VD5、VD8仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此 V′T1、V′T4為零電壓零電流導(dǎo)通，電路運(yùn)行狀態(tài)同 t3— t′3階段。

由于運(yùn)行過(guò)程的對(duì)稱(chēng)性，t4—t8階段與t1—t4階段的分析相似，本文不再贅述。

2.2 非緩沖式DAB開(kāi)關(guān)特性與高頻環(huán)節(jié)波形分析

由圖1（b）對(duì)非緩沖式DAB進(jìn)行分析，可得如下結(jié)論。

a.t0—t′0階段。與電容緩沖式 DAB 相似，t0前，H1橋開(kāi)關(guān)管 VT2、VT3導(dǎo)通，H2橋開(kāi)關(guān)管 V′T2、V′T3的續(xù)流二極管 VD6、VD7導(dǎo)通。t0時(shí)，V′T2、V′T3關(guān)斷，由于沒(méi)有死區(qū)時(shí)間，因此VT1、VT4同時(shí)導(dǎo)通。由于此時(shí)電流通過(guò)續(xù)流二極管 VD1、VD4，因此，VT1、VT4的導(dǎo)通為零電壓導(dǎo)通，但由于沒(méi)有緩沖電容，VT2、VT3的關(guān)斷行為將為硬關(guān)斷，該過(guò)程中，高頻鏈電壓uh1垂直上升，產(chǎn)生很大的du/dt，此后電路狀態(tài)同電容緩沖式DAB t′0— t1階段。

b.t′0—t1階段。t′0時(shí)，電感電流發(fā)生反向，該過(guò)程與電容緩沖式DAB的t2—t′2階段相似。

c.t1—t2階段。與 t0—t′0階段相似，只是電感兩端電壓不同、電流變化速度不同。

由于運(yùn)行過(guò)程的對(duì)稱(chēng)性，t2—t5階段與t0—t2階段的分析相似，本文不再贅述。

3 緩沖電容對(duì)軟開(kāi)關(guān)行為、du/dt、傳輸功率以及回流功率的影響

3.1 電容緩沖式DAB與非緩沖式DAB高頻環(huán)節(jié)波形特征與軟開(kāi)關(guān)特性比較

由上面的分析可知，非緩沖式DAB由于沒(méi)有緩沖電容，其正常運(yùn)行時(shí)所有開(kāi)關(guān)管只有在導(dǎo)通時(shí)才具有軟開(kāi)關(guān)行為，而關(guān)斷時(shí)則為硬關(guān)斷行為，這種半軟開(kāi)關(guān)行為對(duì)變換器的損耗是不利的。同時(shí)，由于缺乏二階暫態(tài)過(guò)程，其高頻環(huán)節(jié)電壓均為方波，存在很大的du/dt；高頻環(huán)節(jié)電感電流為分段線(xiàn)性，含有較大的諧波。而電容緩沖式DAB由于緩沖電容的存在，在二階暫態(tài)階段，高頻環(huán)節(jié)電壓均為余弦規(guī)律變化，可以顯著減小電壓du/dt以及電流中的諧波分量。此外，當(dāng)死區(qū)時(shí)間滿(mǎn)足一定條件時(shí)，能夠保證所有開(kāi)關(guān)的全軟開(kāi)關(guān)運(yùn)行，明顯提高變換器的運(yùn)行效率，對(duì)其死區(qū)時(shí)間需滿(mǎn)足的條件（匹配工作狀態(tài)下）分析如下：

a.二階諧振時(shí)，4個(gè)電容能量第一次交換完畢時(shí)間必須小于死區(qū)時(shí)間；

b.死區(qū)時(shí)間內(nèi)，電感電流不變向，即開(kāi)關(guān)管的并聯(lián)二極管應(yīng)先于開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通。

由此，得到滿(mǎn)足全軟開(kāi)關(guān)的死區(qū)時(shí)間條件為：

其中，M=Td/Ths，Td為死區(qū)時(shí)間，Ths為半個(gè)開(kāi)關(guān)周期；K=TC/Ths為電容緩沖系數(shù)，TC為電容能量交換時(shí)間；K0為電流過(guò)零點(diǎn)系數(shù)。

此外，由匹配運(yùn)行情況下的對(duì)稱(chēng)性可知：

考慮臨界條件，即K=K0=M，可得D與K的臨界值為：

通常情況下，只要移相角大于其臨界值便可以根據(jù)式（5）選取合適的死區(qū)時(shí)間，以滿(mǎn)足全軟開(kāi)關(guān)運(yùn)行條件。而對(duì)于給定的緩沖電容C，可以計(jì)算出高頻電感電流初始值I0及緩沖系數(shù)K的大小。

電容能量交換時(shí)間指變換器二階諧振時(shí)電容能量交換一次所需要的時(shí)間。由式（2）可知匹配情況下的緩沖電容電壓為：

而TCThs為uC1從U1降到0的時(shí)間，即TC滿(mǎn)足：

由于變換器運(yùn)行時(shí)所具有的對(duì)稱(chēng)性，可得：

求解式（10），可得：

聯(lián)立式（9）、（11），可得：

綜上，可得：

將式（6）、（7）、（13）代入式（5），可得當(dāng)緩沖電容C一定時(shí)，電容緩沖式DAB實(shí)現(xiàn)全軟開(kāi)關(guān)的死區(qū)時(shí)間條件為：

3.2 電容緩沖式DAB與非緩沖式DAB高頻環(huán)節(jié)電壓du/dt的比較分析

由2.2節(jié)可知，由于緩沖電容的存在，電容緩沖式DAB變壓器兩端高頻鏈電壓的上升沿與下降沿均為余弦規(guī)律變化。相比于非緩沖式DAB高頻電壓的方波，該過(guò)程對(duì)高頻鏈電壓du/dt具有抑制作用，減小了對(duì)高頻變壓器的損害，拓寬了變換器在中高壓直流配電網(wǎng)中的應(yīng)用范圍，由式（2）可得電容緩沖式DAB的du/dt大小為：

由式（15）可知，在變換器的運(yùn)行過(guò)程中，高頻鏈電壓du/dt的最大值與緩沖電容C的關(guān)系為：

圖2給出了當(dāng)工作電壓、變壓器漏感、工作開(kāi)關(guān)頻率為某一定值時(shí)，du/dt最大值與移相比D和緩沖電容C的關(guān)系。從圖中可知，移相比D越大（傳輸功率越多），du/dt最大值越大；電容 C 越大，du/dt最大值越小，對(duì)du/dt的抑制作用越明顯。

圖2 CBDAB高頻環(huán)節(jié)du/dt最大值與移相比D關(guān)系Fig.2 Relationship between the maximum value of du/dt and phase-shift ration D

3.3 電容緩沖式DAB與非緩沖式DAB傳輸功率以及功率回流的比較分析

為了分析緩沖電容對(duì)變換器傳輸功率和功率因數(shù)的影響，分別對(duì)電容緩沖式DAB與非緩沖式DAB分析。

由圖1（c）可得電容緩沖式DAB的傳輸功率為：

根據(jù)文獻(xiàn)［10］，可得傳統(tǒng)DAB變換器的傳輸功率為：

比較式（17）與（18）可知，非緩沖式DAB變換器可以視為電容緩沖式DAB在電容緩沖系數(shù)K=0（C=0）時(shí)的特例。在移相控制中，非緩沖式DAB所能傳輸?shù)淖畲蠊β蕿椋?/p>

以該最大值為基準(zhǔn)值，可得電容緩沖式DAB與非緩沖式DAB的傳輸功率標(biāo)幺值分別為：

由式（20）可知，電容緩沖式DAB與非緩沖式DAB的傳輸功率表達(dá)式可統(tǒng)一表示為：

K=0時(shí)，p即為非緩沖式DAB的傳輸功率。

在變換器功率傳輸?shù)倪^(guò)程中，存在功率返送回電源的階段，即回流功率階段，如圖1（c）中的 t′0—t2階段。由文獻(xiàn)［10］可知，非緩沖式DAB變換器在匹配時(shí)的功率回流表達(dá)式為：

同樣以非緩沖式DAB的最大傳輸功率為基準(zhǔn)值，可得回流功率的標(biāo)幺值為：

此外，根據(jù)回流功率的定義可以求得電容緩沖式DAB回流功率的標(biāo)幺值為：

若定義變換器的功率因數(shù)F為：

則由式（15）、（18）—（20）可知，電容緩沖式 DAB與非緩沖式DAB的功率因數(shù)分別為：

由式（26）可知，電容緩沖式DAB與非緩沖式DAB的功率因數(shù)表達(dá)式可統(tǒng)一表示為：

K=0時(shí)，F(xiàn)即為非緩沖式DAB的功率因數(shù)。

圖3為電容緩沖式DAB和非緩沖式DAB的功率因數(shù)與移相比的關(guān)系曲線(xiàn)。由圖可知，當(dāng)移相比D一定時(shí)，由于緩沖電容的影響，電容緩沖式DAB功率因數(shù)相比于非緩沖式DAB有所增大，即其回流功率更小，具有更高的傳輸功率利用率。同時(shí)，隨著電容緩沖系數(shù)K（電容C）增大，電容緩沖式DAB的功率因數(shù)隨之增大，傳輸功率利用率也將進(jìn)一步提高。

圖3 CBDAB與非緩沖式DAB功率因數(shù)曲線(xiàn)Fig.3 Power factor curves of CBDAB and DAB without buffer

3.4 緩沖電容的取值分析

圖4給出了當(dāng)工作電壓、變壓器漏感、工作開(kāi)關(guān)頻率為某一定值時(shí)，du/dt最大值（標(biāo)幺值，以實(shí)際應(yīng)用中非緩沖DAB的du/dt為基準(zhǔn)值）、傳輸功率（標(biāo)幺值）與移相比D、緩沖電容C的關(guān)系圖。從圖中可以看出，若緩沖電容的取值過(guò)大，則變換器的軟開(kāi)關(guān)區(qū)域（圖中陰影部分）與傳輸功率最大值將會(huì)急劇減??；若緩沖電容的取值過(guò)小，則緩沖電容將不能滿(mǎn)足對(duì)du/dt的抑制作用。因此，緩沖電容的取值應(yīng)首先在根據(jù)變換器運(yùn)行時(shí)的長(zhǎng)時(shí)間工作狀態(tài)選擇合理的軟開(kāi)關(guān)范圍之后，考慮傳輸功率與du/dt的要求，再根據(jù)式（14）、（16）、（21）進(jìn)行合理的選取。

圖4 CBDAB傳輸功率及du/dt最大值與D、C關(guān)系圖Fig.4 Curve of transmission power of CBDAB and maximum value of du/dt vs.D and C

實(shí)際應(yīng)用中，由于開(kāi)關(guān)管寄生電容值非常小，因此，電容計(jì)算值可以直接認(rèn)為是并聯(lián)電容的電容值，且對(duì)于高頻鏈特征而言，也可以忽略開(kāi)關(guān)管的寄生電容直接考慮并聯(lián)電容的影響。

4 仿真及樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

為了對(duì)上述分析的理論進(jìn)行驗(yàn)證，用仿真軟件PSCAD分別搭建了非緩沖式DAB和電容緩沖式DAB的仿真模型，此外還分別搭建了二者的2 kW實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。具體參數(shù)為：變壓器變比n=1，直流電容Cd=2200 μF，緩沖電容 C=110 nF，高頻鏈漏感 L=0.02 mH，變換器開(kāi)關(guān)頻率fs=20 kHz。

4.1 仿真實(shí)驗(yàn)

圖5 CBDAB與非緩沖式DAB軟開(kāi)關(guān)對(duì)比Fig.5 Soft switching comparison between CBDAB and DAB without buffer

仿真實(shí)驗(yàn)中，兩端直流電壓分別為U1=40 V，U2=40 V，死區(qū)系數(shù)M=0.2，移相系數(shù)D=0.5，以開(kāi)關(guān)管VT1為例，電容緩沖式DAB與緩沖式DAB開(kāi)關(guān)過(guò)程的仿真波形如圖5所示。圖中，UVT1_D與UVT1_C分別為非緩沖式DAB與電容緩沖式DAB開(kāi)關(guān)管兩端電壓；IVT1_D與IVT1_C分別為DAB與電容緩沖式DAB中流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流；IVT1為電容緩沖式DAB中流過(guò)開(kāi)關(guān)管反并聯(lián)二極管的電流。由圖可知，當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電容緩沖式DAB與非緩沖式DAB均為零電壓零電流導(dǎo)通；當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，非緩沖式DAB為硬關(guān)斷，而電容緩沖式DAB由于緩沖電容的存在，開(kāi)關(guān)管兩端電壓基本保持為0，實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷，降低了損耗。

4.2 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

圖6與圖7分別為非緩沖式DAB與電容緩沖式DAB高頻鏈電壓、電流波形。由圖6可知，非緩沖式DAB高頻鏈電壓上升與下降沿均接近于垂直變化，其du/dt很大，且存在超調(diào)及振蕩，影響高頻變壓器磁通，增加變壓器噪聲，降低變壓器壽命。而由圖7可見(jiàn)，電容緩沖式DAB高頻鏈電壓上升與下降沿均呈余弦規(guī)律緩慢變化，其du/dt明顯減小，且超調(diào)很小，電壓變化后并不存在振蕩現(xiàn)象。由此，電容緩沖式DAB可有效減小方波調(diào)制中的du/dt，從而減小對(duì)高頻變壓器的損害。

圖8給出了非緩沖式DAB與電容緩沖式DAB的效率對(duì)比結(jié)果。右側(cè)輸出電源帶阻值為12 Ω的電阻負(fù)載，通過(guò)改變左側(cè)電源輸入電壓以及右側(cè)電源受控輸出電壓值，使變流器進(jìn)行不同的功率傳輸。從圖8中可知，對(duì)于不同的傳輸功率，電容緩沖式DAB的整體傳輸效率都高于非緩沖式DAB。

圖6 非緩沖式DAB高頻鏈電壓、電流波形Fig.6 HFL voltage and current waveforms of DAB without buffer

圖7 CBDAB的高頻鏈電壓、電流波形Fig.7 HFL voltage and current waveforms of CBDAB

圖8 CBDAB與非緩沖式DAB效率對(duì)比Fig.8 Efficiency comparison between CBDAB and DAB without buffer

通過(guò)改變變壓器輸入電壓以及受控輸出電壓值，使變流器兩端的電壓形成不同的電壓比n，圖9給出了變壓器不同兩端電壓比下非緩沖式DAB與電容緩沖式DAB的效率對(duì)比結(jié)果。從圖9中可知，當(dāng)變壓器兩端電壓匹配時(shí)，電容緩沖式DAB和非緩沖式DAB都能獲得其最大效率，且它們的效率隨著電壓比偏離匹配狀態(tài)而降低；不論變流器兩端的電壓比如何變化，電容緩沖式DAB的整體傳輸效率都高于非緩沖式DAB。

圖9 不同電壓比下CBDAB與非緩沖式DAB效率對(duì)比Fig.9 Efficiency comparison between CBDAB and DAB without buffer under different voltage ratios

5 結(jié)論

本文對(duì)應(yīng)用于直流配電網(wǎng)的緩沖式DAB與非緩沖式DAB進(jìn)行了詳細(xì)的比較分析。首先，從開(kāi)關(guān)特征的角度出發(fā)，分析了考慮緩沖電容的高頻鏈電壓、電流波形，從而得到緩沖電容對(duì)變換器軟開(kāi)關(guān)性能、高頻環(huán)節(jié)電壓du/dt、傳輸功率以及功率回流的影響。同時(shí)推導(dǎo)了適用于二者的統(tǒng)一傳輸功率表達(dá)式以及回流功率表達(dá)式，并指出非緩沖式DAB是緩沖式DAB的特例。然后，分析了緩沖電容的選取方法，得出過(guò)大的緩沖電容會(huì)降低傳輸功率最大值以及減小軟開(kāi)關(guān)區(qū)域，而過(guò)小的緩沖電容則不能夠滿(mǎn)足抑制du/dt的要求等結(jié)論。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了理論分析的正確性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表明緩沖式DAB比非緩沖式DAB具有更高的傳輸效率，在直流配電網(wǎng)中將具有更高的應(yīng)用價(jià)值。

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