用于轨道交通超级电容储能的双向DCDC变换器拓扑分析与比较

1、用于轨道交通超级电容储能的双向DC-DC变换器拓扑分析与比较 年电工技术学报第卷增刊 用于轨道交通超级电容储能的 双向变换器拓扑分析与比较 武伟谢少军 （南京航空航天大学自动化学院南京） 摘要城市轨道交通的再生制动能量利用是轨道交通节能的重要措施，其中能量转换的核心环节双向变换器的合理选择对提高系统的性能和效率、降低系统体积及重量等方面起着重要的作用。对在轨道交通超级电容储能场合具有应用前景的几种非隔离双向变换器拓扑进行了分析、设计及比较，得出各种拓扑的特性。采用数学公式推导的方法描述了变换器拓扑开关器件电压、电流应力及无源器件的储能容量，为拓扑之间的比较提供依据。最后，通过综合比较，归纳出了

2、各种拓扑的优缺点及适用的场合。 关键词：超级电容双向变换器交错技术级联电路 中图分类号： ? （） ?， ：，引言节之一，对系统性能、效率、体积及重量等方面的 影响起着关键作用。 城市轨道交通的直流供电侧采用地面或车载储根据变换器的结构，双向变换器可分能系统，回收制动能量可以提高整个系统能量利用为隔离型和非隔离型。隔离型主要应用于需要效率、稳定电网电压、增强系统稳定性，】。大功率电气隔离或电压变比较大的场合【】，由于变换器效双向变换器（，率的原因在大功率变换场合并不适用。）是轨道交通再生制动能量利用系统的核心环非隔离型拓扑相对于隔离型拓扑具有开 关器件少、磁性元件少、拓扑结构简洁、控制电路收稿

3、日期改稿日期简单、无变压器损耗及高效可靠等优点。轨道交通 电工技术学报 焦 车辆运行速度较高且起动与制动频繁，而车辆起动和制动期间，传输功率峰值较高，因此非隔离型拓扑结构是轨道交通储能系统中能量变换环节的首选。 非隔离型拓扑中的半桥双向拓扑结构具有功率器件少，开关器件的电流应力小以及变换器导通损耗小的特点，有助于提高系统的综合效率。城市轨道交通超级电容储能系统中所采用的双向变换器拓扑主要是以半桥为基本结构的拓扑【】及其相应的组合拓扑，如多相交错双向拓扑，以及具有应用前景的基于半桥的多相级联和多电平双向拓扑【】。不同的变换拓扑的特性不同，且有源与无源元件的电压、电流应力亦不同，如何在满足相同特性

4、要求的前提下尽量减小元件的数目、尺寸、重量及成本，以提高节能系统的经济性，是对大功率双向变换器的一个重要要求。对轨道交通储能用大功率双向变换器拓扑进行综合分析、比较有着重要的意义。 本文归纳了适用于轨道交通储能场合的各种非隔离型双向变换器拓扑，分析了各拓扑的电路特性、有源及无源元件的电流电压应力，并推导了无源元件的设计参数，最后总结了各种拓扑的优缺点及相应的适用范围，为双向变换器拓扑在轨道交通储能场合的应用提供一定的参考。 轨道交通储能用双向变换器拓扑的基本原理及特性 根据电路拓扑的组合变换，适用于轨道交通储 能场合的电路拓扑可分为三类：半桥 、多相交错及基于半桥 级联的拓扑。各种拓扑的电路图

5、如图所示。 图所示为半桥。关断，变换器工作于状态：关断，变换器工作在状态。 模式下。的占空比为。，输出与输入的电压比为 町。 （） 模式下的占空比为，输出与输入的电压比为 （。）一 （） 多相交错拓扑如图所示， 该拓扑采用个半桥拓扑并联而成，各半桥的占空比依次滞后（瓦为单半桥拓扑的开关周期），输出的电流纹波频率为单半桥的倍，且总输出电流纹波幅值比单半桥的纹波幅值大为减小，输出与输入的电压比与单半桥拓扑相同。 基于半桥高压侧级联的拓扑如图所示，该拓扑采用个半桥拓扑在高压侧进行串联并接至轨道交通直流母线侧，低压侧接超级电容组模块。各半桥通过占空比控制实现模块的均压，同时降低了开关管的电压应力。 与

6、基于半桥高压侧级联的拓扑类似，图所示为基于半桥低压侧级联的拓扑，该拓扑采用个半桥拓扑在低压端进行串联并接至轨道交通直流母线侧，高压侧接超级电容组模块。 （）半桥拓扑 （）多相交错拓扑 ， 一 （）基于半桥高压侧级联的拓扑 第卷增刊 武伟等用于轨道交通超级电容储能的双向变换器拓扑分析与比较 （）基于半桥低压侧级联的拓扑 （）基于半桥多电平级联的拓扑 图 非隔离型双向变换器拓扑 图所示为基于半桥多电平级联的拓扑，该拓扑是将个半桥拓扑的中点（。）串联起来，各半桥拓扑的占空比采用交错的方式进行控制，在。点可形成不同的电平，进而降低输出的电压和电流纹波。 下面对各拓扑进行详尽的分析研究。 双向变换器的元

7、件应力分析及 无源元件参数设计 为了便于变换器拓扑的分析，统一定义轨道交 通供电的直流侧母线电压为“，侧对应的输入输出总电流为，。，储能单元模块的电压为奶， （，），等效串联电压为觇，以侧对应的 输入输出总电流为厶。储能模块采用超级电容组，超级电容组的额定电压为以。，一般取工作时的电压变化范围为。以。（对应储释能量的变化为），且变换器工作于电流连续模式。 半桥拓扑 根据电路拓扑的工作原理，在变换器处于 模式、电感电流连续的稳态条件下时，变换器的输出与输入的电压比见式（）（。为模式下的占空比），电感的电流纹波幅值为 （） 设电感电流平均值为屯，电感电流和巩侧电容电压的纹波率分别为 ，：型 一 （

8、） 可 （） 可以推导出所需的电感值 ：（） （） 根据电容在一个开关周期内充放电电荷平衡，可得到滤波电容的容值 ：三堡 印瓦蠢 （） 变换器在模式下，工作波形与相似，只是电感电流为负，在此不作详细分析。模式下设定，侧电容电压的纹波率为 ”鲁川。 根据输出电压脉动量等于占空比。期间 电容。向负载放电引起的电压变化，可推导出滤波 电容。的容值 专篆 （） 同时可得到开关器件的电压及电流应力，见表 。 电工技术学报 年 表 半桥拓扑开关应力 多相交错拓扑 同样在工作模式、电感电流连续的稳态 条件下进行分析。通道交错不同通道的占空比依次相移，同样个通道的电感电流也依次相移角度，总输出纹波大大减少。文

9、献对多相交错并联拓扑的输出电流纹波进行了数学分析，可以得到侧总输出电流纹波幅值的 表达式。当占空比满足，（）（其中， ，）时 乇（。一专！丢三筹 ?。， 式中，屯为单个半桥模块电感的电流纹波幅值。 同式（），式（）可化简为 ，一 （） 设输出总电流的平均值为厶，输出总电流纹波率为 ：些。 （） 可以推导出所需的电感值 ：，（）（）一。， ，一 （） 由式（）可知，占空比在不同区间时，可计算出各区间中满足纹波条件的最大电感，最后综合整个区间选择最终的电感值。 和侧滤波电容纹波率定义与式（）和式（）相同，可推导出和侧滤波电容值 ：（）（）一。（，。），。 。 ： ，一 （） ：生 七幄 （） 该拓

10、扑开关器件的电压及电流应力，如表所示。 表 多相交错拓扑开关应力 基于半桥高压侧级联双向拓扑该拓扑采用个半桥在高压 端直接串联而成，各模块的高压侧电压为【，拓扑的分析计算与半桥一致。 电感电流纹波幅值为 ：（） （） 所需的电感值为 ：（）（） 炙 【，和以侧滤波电容值分别为 ，而 （?） ：旦 （） 。乙： 该拓扑开关器件的电压及电流应力，见表。 表 基于半桥高压侧级联拓扑开关应力 基于半桥低压侧级联双向拓扑该拓扑采用个半桥在低压 端直接串联而成，各模块的低压侧电压为，拓扑的分析计算与半桥一致。 屯：（）厂（）一，。，。， 第卷增刊武伟等用于轨道交通超级电容储能的双向变换器拓扑分析与比较 电

11、感电流纹波幅值为 醚 （）：（）（）骐 所需的电感值为 ，一（一） 忱五 （） 和矾侧滤波电容值分别为 ， ：红皇：型 （） （） 七正 七 该拓扑开关器件的电压及电流应力，见表。 表 基于半桥低压侧级联拓扑开关应力 基于半桥多电平级联双向拓扑为了减小变换器输出的电压、电流纹波，基于 半桥多电平级联双向拓扑采用占空比交错的方式进行控制，串联运行的模块控制信号的移相交错角为。设串联系统中各半桥均压良好，单个半桥的开关周期为瓦，开关频率为瓦，开关占空比为。首先分析图拓扑输出侧点处的电压波形。 图中定义电压由高变为低的折点为转折点，采用条分段线将一个周期电压波形划分为个等分区间。各模块的控制信号交错

12、时间为，输 出电压是以（瓦忉为周期的波形，所以只需对 一 瓦 瓦 图 半桥模块输出电压波形分区示意图 时间内的输出电压波形进行分析。单模块电压波形分为个区间，每个区间间隔，个模块之间的电压波形时移亦为，交错拓扑输出电压是个单模块输出电压的叠加，所以时间内串联 拓扑输出的电压波形相当于个区间内波形叠加。 由转折点的位置不同可分为两种情况来讨论。 转折点位于分段线上的输出电压波形图为转折点位于分段线上的示意图，可知 个区间内的波形为个线性段，在时间内点电压波形等效于个线段相加，有以下关 系式成立 丁 ，詈 户， （） （） 此时，输出电压的纹波为零。 转折点 肛 ，； 图 转折点位于分段线上的分区

13、示意图 转折点位于分段线之内的输出电压纹波图为转折点不在分段线上的示意图，在 时间内是由一分段线性段和个线性段叠加而成的，可推导关系式（）和式（）。 在满足专等（户，）时， ， 肛 瓦瓦 图转折点位于分段线内的分区示意图 电工技术学报 链 转折点到左侧分段线的距离三 （户，） （） 点处的电压值以为 吣斌戤。篡时岍 ，；， （） 点输出电压的纹波周期为厶等效纹波频率 五。联，纹波幅值为巩，如图所示。 一 图 多电平级联拓扑在点处的输出电压波形 为了计算输出电感的电流纹波，可采用等效的方法，变换器的侧含有，的直流分量，输出 侧电压的值在，踢和（），之间，因此可等效 为输入侧电压为觇，输出侧电压为

14、（，）的变换拓扑，其等效开关周期为瓦。瓦，等效占空比。，其中，为高压侧超级电容模块的电压（。）。 电感电流纹波幅值为 ：（） （） 所需的电感值为 三：（） 幌 （） 和以侧滤波电容值分别为 ：（可）（）量为 七鼻 一；一一；：型（） ， “ 该拓扑开关器件的电压及电流应力，见表。 表 基于半桥多电平级联拓扑开关应力 双向变换器拓扑的比较 开关器件的电压、电流应力决定了开关元件的 等级，变换器拓扑中的电感元件在决定变换器体积、重量和成本的方面亦起着重要的作用。为方便各种拓扑进行比较，在直流母线电压为。（ ），额定功率（），侧额定电流 等级进行比较。同时为了简化起见，的五种拓扑分别简称为拓扑拓扑

15、。 拓扑 对拓扑，超级电容组模块的额定电压选择为 （充放电时端电压变化范围为 ），当母线侧电压满足 时，变换器处于模式，此时占空比。的范围为：、。变换器处于模式时，占空比的范围为：。 当。时，所需电感值下限为 （） 在额定功率条件下，电感元件所存储的能量为 巨：三；：盟：盟 （） 吃正吃五 拓扑 拓扑中交错的相数为，每相的占空比范围 与拓扑一致，根据式（）可以得到相交错拓 扑所需的电感值。 三尘一（） 氏 在额定功率条件下，单个电感元件所存储的能 肾圭啦而糍， 该拓扑含有个电感，所以总的电感储能值为 易鸲糍 ，（）条件下对变换器的有源及无源元件的 。萎詈个半 由二艨扑，各模块等嚣盖凳妻登震曼皂

16、篆盏嘉嚣詈罱茹釜 在高压端直接 巩棚陋侧采足鬈慧嚣鬈翌荔盖笺一（妥鼍） 茎苫差蔷翼：嘉羹霉。， ）。与拓扑天蚺伍口“ 主誉个半桥【。 昙譬磊譬是磊冀鑫嚣黼由群委景三篙鬟裟箍简兰蕊在低压端直接 羹誊氅亲詈器驾篓警妻喜羹蓑鼍銎毒娄蠡纛凳詈丢 攀戮芳裂嚣茎基姜茬羹蓄凳荔淼焉差模式下占空比的变化范围为： 鬻蓉姿：鬻篙黜纂警蓄 。田 。 。走 驴“）丽 单个电感元件所存储的能量为 驴丽 “ 目崛， 赢 （）、。 黧篇鳓电容模块的选择与拓扑选择原则 麓要由式芝嚣；嘉慧镒票茹丰譬嬲电囊裳翟主磊茹言笺。由式（）得到猫玻吧掣叫。“ （一）。， ： 竺！ （） 五 吃正 电感元件所存储的能量为 驴抄糍 综合以上拓

17、扑的工作状态和占空比的变化范围，可以得到各的开关器件应力的对比，见表。 竺量拓扑拓扑兰生竺二爵磊；磊再彳瓦 塑盐！塑兰！兰兰三二 。 ， 竺， ：三忑五吴磊石的电流应力相对拓 竺燃雩燃嚣笔茹墚蒜竺 ！：，：竺 委晏蒙背未鬻器嚣黼；孺士皇曩三知誓妥芸嚣霁篓鐾暑鎏笳享焉茗？ 銎誓必裟第燃湍籀 耋戮兽徽慕譬冀霁黑霁器篓羞毫要皇黧思勰麓磊？釜主塞翟善豁弱羞薹 拓篙：蔫繁纛器赫兹嚣： 容模块的端电压得到降低，在趟缴电符名哥州卅如珏 。 目 、台一拓扑 卜拓扑。 一 铲拓扑 一盆广拓扑 土 。 ：黧鬻嚣鬻篱蒸二蹇毪萎譬淼嚣彗纂荨淼篡孑茎差 酣黧鲁慧黼萼豢鬻慧罢：萋。詈善？裴黧象萎袭姜丧裹？茎姜磊、成柔磊

18、荟譬喜：。呈鉴羹竺蒌：萎蓍翼姜凳磊嘉蒜苫；某鲁璧：兰袭轰毳曼委用茎薯誊萎磊磊凳？引 用多电平级联的拓扑 具有较大阴仉酣。 结论 针对在城市轨道交通超级电容再生制动储能场 “ 电工技术学报年 合有应用潜能的几种双向变换器拓扑进行了分析比较，并得出以下结论。 （）半桥拓扑具有结构简洁和控制简单的优点，但其开关应力较高，同时需要较大的滤波电感，该拓扑适用于中小功率变换场合。 （）多相交错拓扑经过多相交错并联后，开关器件的电流应力仅为单相拓扑的，且相应的输出电流纹波大大减小，在输出电流纹波率不变的条件下电感的体积、重量可减小至单 相拓扑的肝，该拓扑适用于中、低压大功率双向 变换的场合。 （）基于半桥高低压侧级联双向拓扑通过模块的串联使得开关器件的电压应力得到降低（分别降为单半桥拓扑的和），在开关电流应力上高压侧级联拓扑与单半桥模块的开关电流应力相同，低压侧级联拓扑开关电流应力稍小（为单半桥模块的开关电流应力的）。但这两种拓扑的电感存储的能量相对单半桥拓扑并未变化，因此在体积和重量上并无优势。 （）基于半桥多电平级联双向拓扑通过多电平模块的级联，使得开关器件的电压、电流应力都等到降低，同时在相同输出电流纹波率的条件下所需的电感仅为单半桥拓扑的，电感的体积、重量得到大大的降低，因此该拓扑较适用于高压、大功率双向电能变换的场合。 （）将多相交错拓扑与基于半桥高压侧级联双向拓