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一种并联输入与多功能输出的双有源桥变换器
A Parallel Input and Versatile Output Dual Active Bridge Converter
| 作者 | Sohaib Qazi · Prasanth Venugopal · Alan J. Watson · Patrick Wheeler · Thiago Batista Soeiro |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年12月 |
| 技术分类 | 控制与算法 |
| 技术标签 | DC-DC变换器 DAB |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | H桥隔离型直流变换器 双有源桥变换器 宽输出电压范围 效率提升 调制策略 |
语言:
中文摘要
由于基于 H 桥的隔离式直流/直流变换器易于扩展至大功率、控制机制简单且能有效利用半导体器件和变压器,它们在快速充电站、直流微电网和可再生能源整合等各种电力电子应用中占据了核心地位。在双向变换器中,双有源桥(DAB)变换器因其直接的功率流控制机制、固有的软开关实现方式、对称且模块化的结构等特点,成为常见选择。然而,传统拓扑结构在电压增益和输出功率范围较宽时,效率会显著降低。这一局限性可能会阻碍其在公共直流充电器中的应用,因为公共直流充电器通常需要适应不同的充电曲线和车辆电压等级。本文提出了一种源自 DAB 变换器的新型通用拓扑结构,该结构能够满足宽输出电压范围的要求,在减轻半导体器件电流和/或电压应力的同时提高效率特性。此外,还开发了一种合适的调制策略,可根据负载需求优化变换器的软开关动作。通过稳态模型、仿真和一个 11 千瓦的实验样机,对该变换器的运行情况进行了解释和验证。
English Abstract
Due to their easy scalability to high power, simple control mechanism, and effective semiconductor and transformer utilization, H-bridge-derived isolated dc/dc converters have taken a central stage in various power electronics applications such as fast charging stations, dc microgrids, and renewable energy integration. Among the bidirectional variants, the dual active bridge (DAB) converter stands out as a common choice due to its direct power flow control mechanism, inherent soft switching realization, symmetric and modular structure, etc. However, the conventional version of the topology exhibits a significant reduction in efficiency when subjected to wide ranges in voltage gain and output power. This limitation can potentially hinder its application in public dc chargers, where different charging profiles and vehicle voltage classes are frequently expected. This article proposes a new versatile topology derived from the DAB converter that caters to the requirement of a wide output voltage range and improves the efficiency characteristics while mitigating the current and/or voltage stresses on the semiconductor devices. Furthermore, a suitable modulation strategy is developed that optimizes the soft switching action of the converter in accordance with the load demand. The converter operation is explained and validated through a steady-state model, simulations and an 11 kW experimental prototype.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务布局来看,这项基于双有源桥(DAB)变换器的改进技术具有显著的战略价值。该技术通过并联输入和多功能输出设计,有效解决了传统DAB在宽电压增益和宽功率范围下效率骤降的核心痛点,这与我司在光储充一体化、直流微网和快速充电站等应用场景的技术需求高度契合。
在储能系统方面,该技术的双向功率流控制和优化的软开关策略能够显著提升储能变流器(PCS)在不同荷电状态下的转换效率,特别是在电池电压大幅波动时仍能保持高效运行,这对提升我司储能系统的全生命周期经济性具有重要意义。论文中11kW原型的验证表明技术已达到工程化水平,可作为下一代储能变流器的候选拓扑。
在电动汽车充电领域,该拓扑的宽输出电压范围特性完美适配不同车型的电压平台(从400V到800V甚至更高),这对我司布局的大功率直流充电桩产品线极具吸引力。降低的电流和电压应力意味着可以优化半导体器件选型,潜在降低系统成本并提高功率密度。
技术挑战主要集中在:多工作模式下的控制算法复杂度增加,需要强大的数字控制平台支撑;并联输入结构对变压器设计和磁集成提出更高要求;从11kW到兆瓦级功率扩展时的热管理和EMI问题需深入研究。
建议我司技术团队重点关注该技术在350kW以上超充桩和MW级储能系统中的适配性验证,并评估与现有碳化硅器件平台的协同优化潜力,这可能成为我司在高端电力电子市场的差异化竞争优势。