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可靠性与测试 DC-DC变换器 工商业光伏 可靠性分析 ★ 5.0

一种单相电流型双有源桥DC/DC变换器的开路故障容错方案

An Open-Circuit Fault-Tolerant Scheme for Single-Phase Current-Fed Dual-Active-Bridge DC/DC Converter

作者 Yue Zhang · Nie Hou · Zheng Wang · Yunwei Li
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年11月
技术分类 可靠性与测试
技术标签 DC-DC变换器 工商业光伏 可靠性分析
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 功率变换器 容错方案 单相电流馈电双有源桥变换器 开路故障 实验验证
语言:

中文摘要

在许多工业应用中,电源中断是无法容忍的,因此高可靠性对于功率变换器而言极为关键。容错方案作为提高可靠性的有效途径,受到了更多关注。然而,由于单相交错并联电流型双有源桥(CF - DAB)变换器的器件冗余度低且结构不对称,目前尚未有针对该变换器的容错方案报道。为解决这一具有挑战性的问题,本文提出了一种开路容错方案。采用所提出的容错方案后,单相交错并联电流型双有源桥变换器即使在两个特定开关和中间电容出现开路故障的情况下,仍能维持功率传输。同时,在没有中间电容缓冲功能的情况下,也能有效抑制潜在的电压尖峰,从而保护开关器件免受高电压应力的影响。随后,详细阐述了调制方案、工作模式特性和控制结构。最后,给出了基于缩小比例实验室样机的实验结果,以验证所提出的容错方案的可行性。

English Abstract

Power interruptions are intolerable in many industrial applications, so high reliability becomes exceedingly pivotal to power converters. Fault-tolerant schemes attract more attention as an effective approach to improve reliability. However, due to the low-device-redundancy and asymmetrical structure, fault-tolerant schemes have not yet been reported on the single-phase current-fed dual-active-bridge (CF-DAB) converters. To address this challenging issue, an open-circuit fault-tolerant scheme is proposed in this article. With the proposed fault-tolerant scheme, the single-phase CF-DAB converter can maintain power delivery even if facing the open-circuit faults of two specific switches and the middle capacitor. Meanwhile, potential voltage spikes can also be suppressed effectively without the snubber function of the middle capacitor, which protects the switching devices from high-voltage stresses. Subsequently, the modulation scheme, mode characters, and control structure are elaborated. Finally, the experimental results based on a scale-down laboratory prototype are presented to verify the feasibility of the proposed fault-tolerant scheme.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项针对单相电流馈电双有源桥(CF-DAB)变换器的开路容错技术具有重要的战略价值。该技术直接契合我司在储能系统和光伏逆变器领域对高可靠性的核心诉求。

在储能系统应用中,DC/DC变换器是连接电池与直流母线的关键环节,任何功率中断都可能导致系统失效甚至电网扰动。该论文提出的容错方案能够在两个特定开关管和中间电容发生开路故障时维持功率传输,这对提升我司储能变流器PCS的可用性具有直接价值。特别是在工商业储能和大型储能电站场景中,系统的连续运行能力直接关系到客户收益和电网稳定性,这种容错能力可转化为显著的竞争优势。

技术层面,该方案在低器件冗余度的非对称结构下实现容错,相比传统冗余设计更具成本效益。同时,无需中间电容缓冲功能即可抑制电压尖峰的特性,能够降低对器件耐压等级的要求,这与我司持续推进的成本优化战略高度一致。论文基于实验室原型的验证表明技术已具备一定成熟度,但距离工业化应用仍需解决几个关键问题:容错模式下的效率损失、热管理挑战、故障诊断算法的响应速度,以及在宽工况范围下的稳定性验证。

建议我司技术团队关注该方向的后续研究进展,评估将此容错策略集成到下一代储能变流器平台的可行性,尤其是在对可靠性要求极高的海上风电储能和微电网应用场景中进行针对性开发,这将进一步巩固我司在新能源核心装备领域的技术领先地位。