维普资讯 http://www.cqvip.com 《宁夏电力）２００７年第４期 新型桥式双向直流变换器 王时哲 （宁夏电力科技教育工程院，银川市７５０００２） 摘要： 以全控型电力电子器件组成的全桥“双向直流变换器”，能对电力拖动系统进行直流脉宽调制 （ＰＷＭ），实现可逆调速。这是一种新型节能绿色电源技术。 关键词：直流变换器；全控型；桥式 中图分类号：ＴＭ３０３，２ 文献标识码： Ｂ 文章编号：１６７２—３６４３（２００７）０４－００２６－０３ Ｔｈｅ ｎｅｗ ｂｒｉｄｇｅ ｔｙｐｅ ｔｗｏ－－ｗａｙ ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ＷＡＮＧ Ｓｈｉ－ｚｈｅ （Ｎｉｎｇｘｉａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｔｒａｉｎｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｙｉｎｃｈｕａｎ ７５０００２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆｆｕｌｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｄｅｖｉｃｅ，ｔｗｏ－ｗａｙ ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｃａｎ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ＤＣ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｏｉｌ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅ ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ ｓｐｅｅｄ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｏｕｒ ｑｕａｄｒａｎｔｓ．Ｔｈｉｓ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｇｒｅｅｎ ｐｏｗｅｒ ｓｏｕｒｃｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｉｔｈ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｆｕｌｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｔｙｐｅ；ｂｒｉｄｇｅ ｔｙｐｅ １问题的提出 ２电力变换器类型 在现代工业企业生产设施中，有许多机械负荷要 电力电子变换器是将某种形式的电力能源转变为另一 求驱动系统控制电动机作为动力装置既能够正、反转， 种电能的装置。按其基本功能可分为整流器（ＡＣ／ＤＣ ｒｅｃｔｉ－ 又要能够控制其制动。如何将电动机轴的机械能（包括 ｉｔｅｒ）、逆变器（ＤＣ／ＡＣ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）、交一交变频器（ＡＣ／ＡＣ ｆｒｅ－ 位势能，惯性能等）转变为电能回馈到电网中，进行节 ｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ），也包括交一直一交变频器（ＡＣ—ＤＣ—ＡＣ ｆｒｅ－ 能降耗？必须采取可逆调速装置系统。随着电力电子技 ｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ），和直流斩波器（ＤＣ／ＤＣ ｃｈｏｐｐｉｎｇ ｃｉｒ－ 术的快速发展，采用“双向可逆变换”已逐步解决这个 ｃｕｉｔｅｒ）ｌ￣类形式。 问题。 重要的是如何选取能实现电能双向流动的电路拓扑？ 双向直流变换技术是以全控型电力电子器件组成“双 可以将电能一端输入从另一端输出进行馈送，从而实现双 向直流变换器”为核心的电源变换技术，它是随着太阳能电 向变换。 源、风力发电、生物电池、燃料电池等新型发电系统，以及以 大规模化学电池蓄能、超级电容、超导蓄能为代表的电能存 ３基本双向直流变换器 储设备的改进而发展起来的。这种无污染的新型绿色能源 科学技术必将得到广泛应用。 桥式直流变换器主电路拓扑由高频开关管Ｑ。一Ｑ４、二极 管Ｄ－￣Ｄ４、滤波电感【ｆ和滤波电容Ｃｆ等构成，开关管Ｑ与 二极管Ｄ反向并联。高频开关管Ｑ。一Ｑ４采用电力晶体管 收稿日期：２００７－－０４－０２ 作者简介：王时哲（１９５７一），男，高级讲师，从事电力自动化教学培训工作。 ・２６・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 《宁夏电力）２００７年第４期 （ａ）桥式直流变换器的主电路 口４ 口・ （ｂ）输出电压Ｖ０和电流Ｉｏ为正时的主要波形 （ｃ）输出电压Ｖ。和电流１０为负时的主要波形 一Ｄ｜ （ｄ）Ｖｏ侧功率向Ｖ 方向传输，Ｉｏ为正，ｖ。为负 毒 Ｄ． Ｄ． （ｅ）Ｖ。侧功率向Ｖ 方向传输，１０为负，ｖ。为正 图１ 桥式直流变换器主电路拓扑及波形图 Ｇ ｒＲ，或绝缘栅双极晶体管ＩＧＢＴ或者其他全控型电力电子 器件，ＤｒＤ 采用功率二极管（见图１．ａ）。 （１）桥式直流变换器开关管和二极管承受的电压等于 电源电压Ｖ 。若Ｑ。、Ｑ 同时开通、同时关断。Ｑ：、Ｑ，也同时 开通、同时关断，没有中间零电位状态。当处于ＰＷＭ工作 状态时，两者为互补导通型，变换器中点电压Ｖ加＝±Ｖ ，进 新型桥式双向直流变换器 行着双极性控制。输出电压Ｖ０的极性可变，输出电流Ｉｏ可 正可负，属于Ⅳ象限变换控制器。在第１、Ⅲ象限工作时，输 出电压Ｖ。和电流Ｉｏ同方向，能量从电源向负载侧传送。在 第Ⅱ、Ⅳ象限工作时，输出电压Ｖ。和电流Ｉｏ反方向，能量负 载侧向电源方向传送，不会出现电流断续情形，可以平稳地 实现能量传输方向的转换。不同占空比８时的波形（图２）。 １＿ ２丁 ｉ ／＼ ／芭 ＼ （ａ）８＝ｏ．５时的波形图 ２ （ｂ）８＞ｏ．５时的波形图 ］ 厂 ：二 ～ （ｃ）８＜Ｏ．５时的波形 图２不同占空比８时的波形图 （２）在一个开关周期中Ｑ，、Ｑ 导通时间等于Ｑ：、Ｑ３导 通时间，即Ｂ－－Ｏ．５时Ｖ佃的平均值为零，输出电压平均值ｖ。 为零，但电感电流的瞬时值不为零，Ｑ，、Ｑ 导通时，ｉ 增加， Ｌｆｄｉ【ｆ／ｄｔ＝Ｖ 一Ｖ。＝Ｖ ；Ｑ。、Ｑ 截止后，ｉｕ通过二极管Ｄ２、Ｄ３续 流，电流下降，Ｌｆｄｉ【ｆ／ｄｔ＝一Ｖ ；ｔ＝ｔ’时，ｉｕ＝０，此后因Ｑ２、Ｑ３已 经开通，所以ｉ 反向增加，直到ｔ＝Ｔ时ｉⅡ达到负的最大值， Ｑ：、Ｑ，截止。１。【ｆ是一个等腰三角形，平均值Ｉ【ｆ＝０。在ｔ－－ｔ。 ｔａＩ 期间，Ｖ＾Ｂ：Ｖ ，ｉｕ＞０，电源Ｖ 能量转为贮于电感Ｌｒ的磁 能；在ｔ＝ —ｔ２期间Ｖ曲：－Ｖ ，存储于电感 的能量返回电 源，平均输出功率等于零。 （３）当Ｑ 、Ｑ４导通时间大于Ｑ：、Ｑ，导通的时间，即 Ｂ＞Ｏ．５时，Ｖ佃平均值大于零，故Ｖｏ＞Ｏ。电压Ｖ０极性不变电 ・２７・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 《宁夏电力）２００７年第４期 新型桥式双向直流变换器 流ｉⅡ方向改变，在ｔ＝ｔ 期间，Ｑ 、Ｑ，导通，ｉｕ＞０时，能量 Ｄ广Ｄ。续流，ｉ 正向下降，此时尽管Ｑ 、Ｑ６、Ｑ 、Ｑｓ均导通，开 从电源向负载传输。在仁Ｔ时，ｉ ＜０时，Ｑ 、Ｑ４导通，Ｑ＇、Ｑ， 关管中不会有电流通过，它以同步整流方式工作。 截止，能量从负载侧向电源侧传输。 能量从ｖ：向Ｖ 方向传输时，电感电流ｉⅡ方向变为负 （４）Ｖｏ＜０极性变负，即当８＜０．５时，能量可以从电源Ｖ 值。在０一 期间，Ｑ ～Ｑ。同时导通，ｉⅡ反向增长，达到 角度 向负载ｖ。方向传递，也可以反方向传递。 时ｉⅡ达到负最大值；在 ～盯期间，Ｑ６、Ｑ，关断，ｉⅡ经Ｑｓ、Ｑｓ （５）进行双极性控制时，当８－－０．５时，ｖ。－－－ｏ；８＝１．０时， 自“・”端流入 线圈，而ｗ 线圈自“・”端流出，经Ｄ 、Ｄ４ Ｖ０＝＋Ｖ ；８＝０时，Ｖｏ＝－Ｖ 。即：Ｖ。／Ｖｉ＝２８－１。 到ｖ 端，ｉ 在Ｖ 作用下减少，到Ｔ／２时到最小值，它也工作 在同步整流方式。 ４有隔离的双向直流交换器 经分析在０一 期间为电感贮能阶段，而 ～１Ｔ期间为能 量自ｖ 向ｖ 方向传输阶段。 （１）有隔离的双向直流变换器是在基本双向直流变换 （３）有源箝位电路可以当能量从Ｖ＇向Ｖ 方向传输时， 器中插入隔离变压器，并进行变化后得到（见图３（ａ））。 Ｑ ～Ｑ。啭换时吸收电感ｋ的能量，降低Ｑ，～Ｑ。的电压峰值。 当能量从ｖ 向Ｖ＇方向传输时，可实现电压型全桥直流变 换器的ＺＶＺＣＳ各种方式，减少循环能量和占空比的丢失， 提高变换效率。 ５结束语 （ａ）双向桥式直流变换器主电路 目前由于受到电力电子器件制造技术所限，大部分仍 ． ｌ ０。 Ｉ ｑ ｝ｑ 为单向传输。本文所介绍的“桥式双向直流变换器”，可在风 （Ｉ ． Ｔ７Ｚ ｒ 。】 ｌ ｌ Ｉ力发电机组，以及混合能源电动车驱动系统中得到应用。 ＾２＾ｎ：一 Ｉ Ｉ例如混合电动车由发动机驱动的无刷直流发电机、逆 ｌ ｏ． Ｉ 变器与驱动用交流电动机和蓄电池与双向直流变换器三部 ｏ６ ｑ‘口’ ｌ 分组成。当电动车加速时发电机和蓄电池组同时向逆变器 、＼ ，．／。 ＼ ．／／。 ＼ 供电，交流电动机输出功率加大。当电动车下坡（或者制动） 时，电动机转为再生制动状态，逆变器将电动车惯性能量通 过双向直流变换器返回到蓄电池组内贮存。提高了电能的 ＼———＼——／、＼ 转换、使用利用率，达到节约电力能源，降低损耗，利于环境 保护之目的。 （ｂ）开关管Ｑ一一 和ＱｒＱ 导通时电流波形 图３双向桥式直流变换器主电路及其波形 参考文献： 左侧电压型变换器Ｑ ～Ｑ４选用ＭＯＳＦＥＴ管、电容ｃ 和 ［１］严仰光．双向直流变换器．江苏科学技术出版社，２００４年ｌ１ 电感 等构成。右侧电流型变换器Ｑ －Ｑ。选用功率ＭＯＳ— 月第１版． ＦＥＴ管、电容ｃ 和电感ｋ、以及滤波电感Ｉ彳和滤波电容 ［２］王兆安，黄俊．电力电子技术．机械工业出版社，２００６年２ ｃ 等构成，而电容ｃ 和开关管Ｑ。组成有源箝位电路。由于 月第４版． 变压器的原副边的变比（匝数比）可以设计，选择耦合系数 ［３］陈伯时．电力拖动自动控制系统．机械工业出版社，２００５年９ 接近１，使得变压器电感耦合合适，解决漏磁能量损耗问 月第２版． 题，利用电磁耦合实现具有电气绝缘的电能变换。 ［４］林辉，王辉．电力电子技术．武汉理工大学出版社。２００２年３ （２）当左侧的电压型变换器Ｑ 、Ｑ４导通时，右侧电流 月第１版． 型变换器Ｑ 、Ｑ８导通；左侧的Ｑ：、Ｑ，导通时，右侧Ｑ 、Ｑ 导 ［５］黄操军，陈润恩，王桂英．变流技术基础及应用，中国水利水 电出版社。２００２年１月第１版． 通。能量从Ｖ．向Ｖ：方向传输，电感电流ｉⅡ自左向右流 ［６］张立，黄两一。电力电子场控器件及其应用，机械工业出版 动。在 ，（２１ｒｆ）～Ｔ／２期间，Ｑ。、Ｑ４导通，ｉ 正向增长；在 社，１９９５年９月第１版． Ｔ／２一（ｄａ＋Ｔ／２）期间，Ｑ。关断，Ｖ 侧Ｑ４和Ｉ）３续流，Ｖ２侧ｉⅡ经 ・２８・
