PET(Powerelectronictransformer):電力電子變壓器

PET所具有的優點：

（1）體積小、重量輕、無變壓器油的污染；

（2）具備功率因數調節能力，減小電網諧波污染；

（3）能夠接入直流環節，具備分布式能源接入能力；

（4）自我保護能力強，可以實現故障冗余保護。

AC-DC-AC型PET的優點：

（1） 具有良好的控制性能

（2） 由于含有直流環節，可以被靈活地接入交直流電網

（3） 利于分布式能源的有效利用

PET分類及異同

AC-AC型PET	AC-DC-AC型PET
無直流環節	有直流環節
不便于應用于交直流混合電網	可被接入交直流電網
難以進行功率因數調節	功率因數調節
工作原理圖：	工作原理圖：
	典型拓撲結構：

AC-DC-AC型PET典型拓撲結構

工作原理：首先經過三相橋式整流電路將輸入三相電源整流為直流電壓，然后經過雙有源橋變換器進行DC-DC變換，最后通過三相橋式逆變電路將直流電壓逆變為交流電壓。

拓撲圖：

圖1-1AC-DC-AC型FET典型拓撲結構圖

由于功率器件所能承受的電壓等級限制，該拓撲結構難以在中高壓領域使用，主要通過以下兩種思路解決：

（1） 發展高電壓等級的功率器件

（2） 基于現有的Si器件，采用新的控制方法和拓撲結構，通過多個功率單元串聯來使系統可以承受更高的輸入電壓。

基于現有Si器件的PET拓撲

（1） 龐巴迪公司研發的用于機車牽引的車載PET,（輸入電壓3KV/16.7Hz，容量750KVA）

拓撲結構;

圖1-2龐巴迪公司研制的PET拓撲

DC-DC變換器采用輸出并聯形式，工作頻率達到了8KHz;采用了諧振變換器，保證每個開關器件都能夠實現零電流和零電壓開關，有效減少了開關損耗，整機效率得到提升。

（2） 北卡羅萊納州立大學研制的用于智能配電網的單相PET拓撲（7.2KV輸入電壓，容量為20KVA）

拓撲結構：

圖1-3北卡羅萊納州立大學研發的PET拓撲

輸入級采用級聯H橋變換器，每個H橋輸出3.8KV直流電壓，3.8KV的直流電壓經過DAB型的DC-DC變換器變換為400V的直流電壓，400V直流電壓經過逆變器轉換為交流電壓；功率能夠雙向流動，通過提高變壓器的工作頻率可使整個系統體積大大縮小。重量減輕。

（3） ABB公司研制的用于鐵路網的電力電子牽引變壓器樣機（15KV/16.7Hz，系統容量為1.2MVA,中頻變壓器頻率為1.8KHz）

拓撲結構：

圖1-4ABB公司采用級聯H橋變換器和DC-DC變換器的PET拓撲

隔離型DC-DC變換器采用LLC諧振變換器，變換器可以工作在諧振狀態，實現軟開關。系統效率可以保持在96%左右。

目前，在隔離級雙向DC-DC變換器主要為DAB變換器和LLC諧振變換器。

DAB變換器：

圖1-5DAB變換器電路原理圖

如圖1-5所示，DAB變換器主要有輸入全橋變換器和輸出全橋變換器及中高頻變壓器組成。

具備電氣隔離、功率雙向流動、開關器件ZVS開通和功率密度高等有點，廣泛應用于電池充電、可再生能源發電、PET等領域。

DAB變換器的基本控制方法為單移相（single-phase-shift，SPS）控制、雙重移相控制方式（dual-phase-shift，DPS）、三重移相控制方式（triple-phase-shiftcontrol，TPS）、兩級控制方式、電壓平衡控制方式。

SPS控制的實現方式：

通過控制變壓器一、二次側的全橋變換器產生的方波電壓并改變這兩個方波電壓之間的移相角的大小和方向，來改變傳輸功率的大小和流向。

SPS控制的優缺點：

優點：控制方法簡單，易于實現，傳輸功率較大

缺點：傳統移相控制方法中，通過變壓器漏感（少量串聯電感）傳遞能量，在輸入輸出電壓幅值不匹配時，變換器的功率環流和電流應力會大大增加，進而也增大了功率器件、磁性元件的損耗，降低變換器的效率。

DPS控制的實現方式：

在SPS控制方法上增加了要給控制量，除了變壓器一、二次側電壓之間的移相值，一次側或二次側H橋內兩橋臂之間也有一個移相值，通過控制兩個移相值可以保證一定輸出功率的前提下降低系統的回流功率和電流應力，從而減小系統的損耗、提高效率。

TPS控制的實現方式：

這種控制方式是在一次側和二次側H橋內兩橋臂之間以及一、二次側全橋之間都設置移相角，因此，有3個可控制的自由度。

兩級控制的實現方式：

對輸入側級聯H橋變換器進行輸出電壓的平衡控制，保證各個DC-DC變換器的輸入電壓均衡；在此基礎上，由輸出并聯的DC-DC變換器進行各單元輸出電流平衡控制，這樣就可以保證各單元功率均衡。

兩級控制的優缺點：

優點：控制方式靈活

缺點：（1）為了實現中間直流側的電壓平衡，需要補償級聯H橋各單元的調制波幅值，會影響交流輸入電流的品質；

（2）DC-DC變換器的均流控制需要對電流進行濾波處理，降低了系統的動態性能。

電壓平衡控制的實現方式：

輸入側級聯H橋不進行電壓平衡控制，由DAB變換器進行中間直流側電壓平衡控制及整個系統的功率平衡控制。

LLC諧振變換器：

圖1-6LLC諧振變換器電路原理圖

如圖1-6LLC諧振電路原理圖所示，LLC諧振變換器由輸入全橋變換器、諧振網絡、中高頻變壓器和輸出全橋變換器組成。

LLC諧振變換器的基本工作原理：

輸入全橋變換器采用50%占空比的驅動信號進行控制，產生一個方波電壓；輸出全橋變換器進行不控整流，可以實現變壓器一次側開關器件的ZVS和二次側開關器件的ZCS，有效降低了開關損耗。

LLC諧振變換器的優點：

具備軟開關、能量雙向流動、高效率、高功率密度等優點，作為PET的隔離級DC-DC變換器可以使系統的效率得到進一步優化。

LLC諧振變換器的主要研究內容：

參數優化、變換器的啟機過程以及拓撲改進以實現功率雙向流動。

參數設計：

（1） 通常根據變換器的輸入、輸出電壓及功率范圍等討論變換器的增益特性，采用基波近似法推導出變換器的增益特性曲線，然后進行合理的參數設計以滿足設計目標。

（2） 通過滿足最低開關頻率下的滿載所需電壓增益來優化諧振參數。

基波近似法的實現方式

將方波電壓的基波分量進行近似替代來獲得電壓增益的表達式，在實際應用中會引起較大誤差。

LLC諧振變換器的啟動方面:

利用移相控制時變換器增益隨占空比單調遞增的特性，提出了一種軟啟動控制策略，避免了變換器空載啟動時產生過大電流沖擊的可能性。

常規的LLC諧振變換器只能進行能量的單相傳遞，而在PET的應用中需要研究LLC諧振變換器的能量雙向流動控制策略以及拓撲改進。

圖1-7CLLC諧振網絡

圖1-7CLLC諧振網絡變換器的工作原理：

正向和反向工作時構成2個不同的諧振網絡，逆變橋采用變頻控制，整流橋采用同步等寬整流控制，能實現逆變橋開關管的ZVS和整流橋開關管的ZCS。

CLLC諧振電路的缺點：

二次側諧振電容的增加使得變換器的工作特性被改變，在變換器的感性工作區出現了2個峰值增益點，因此變換器在變頻運行時可能進入正反饋。

改進方法：

通過增加輔助電感或電容以使變換器方向工作時也具有良好的增益特性和軟開關特性。但是輔助電感和電容的增加不僅會增加成本和設計難度，還會改變變換器的工作特性。

在PET的應用場合，隔離級DC-DC變換器需要實現功率雙向流動，高頻化以縮小體積，并且需要能夠實現軟開關以降低開關損耗。

LLC諧振變換器和DAB變換器在PET應用中的比較：

LLC諧振變換器相較于DAB變換器能夠在更寬的負載范圍內較好地實現全部器件的ZVS及變壓器二次側器件的ZCS，有利于減少損耗。

雖然LLC諧振變換器的軟開關范圍較大，但是由于其存在諧振過程，會導致器件所承受的電壓電流應力較大。

LLC諧振變換器的電壓調整范圍受負載影響較大，難以實現與DAB變換器相同的寬電壓范圍控制。

未來發展關鍵技術問題：

系統可靠性：由于在中高壓領域的PET拓撲結構普遍采用多個功率單元級聯的形式，這將造成器件數量大大增加，由此將對系統的可靠性和穩定性帶來巨大挑戰。對于這個問題，可以采用兩種思路解決，一方面，可以采用故障冗余保護策略，當系統中某一單元出現故障時，可以將其切除，冗余單元投入使用，確保系統可以可靠運行；另一方面，新材料和新器件的發展也是提升PET可靠性的一個重要方向，

能量雙向流動的自由切換：PET需要實現的三個功能：電壓等級的變換、電氣隔離以及能量的雙向流動。

功率密度與效率優化：因此在PET的設計中，需要考慮對高頻變壓器與散熱裝置的體積大小進行權衡，使系統的功率密度達到最優；需要綜合考慮功率等級、開關頻率、死區時間等因素的影響，提出優化設計方案，使DC-DC變換器在輕載狀態的效率得到保證。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的应用于电力电子变压器的双向DC_DC变换器综述（学习笔记）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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