微电网用双向DC/DC变换器损耗及效率优化研究

双向DC/DC变换器作为微电网系统电力储能环节的重要组成部分,对微电网稳定运行非常重要,而其损耗和效率直接关系到变换器能否健康运行,同时与经济效益密切相关,因此研究微电网用双向DC/DC变换器的损耗和效率问题具有很高的实用价值。本文以一台双向DC/DC样机主电路为效率优化对象,针对功率器件、磁性元件和滤波电容三类器件在实际电路中所存在的损耗问题,开展了双向DC/DC变换器的损耗及效率优化的研究。本文主要研究内容如下： 设计出了满足样机指标的双向DC/DC变换器拓扑结构,并采用常规计算方法,从实现DC/DC基本功能出发,计算出了主电路各部分参数,包括高频变压器、反激绕组、滤波电容和功率器件。所设计的电路拓扑和参数将作为损耗和效率优化研究的对象和入口参数。 分析了快恢二极管和IGBT的开关过程,得出了其损耗的近似表达式和影响因素,并对硬开关双向DC/DC进行了功率器件损耗实验。采用有损缓冲和软开关这两种损耗优化方案,并做实验对比,重点讨论了充电ZVZCS和放电ZVS软开关实现条件和主要电路模态,提出了软开关辅助参数迭代优化策略,得出了优化结果,并通过实验证明了该参数迭代优化方法的正确性。 讨论了磁芯损耗和绕组损耗的产生原因和影响因素,分析了双向DC/DC变换器中变压器和反激绕组的工作波形与损耗计算方法,并对双向DC/DC进行了磁性元件损耗实验。提出了变压器和反激绕组的损耗优化方案,并进行了实验对比,从发热、效率、成本和体积等方面综合考虑,选择出了最优的解决方案,使变换器性能显著提升。 分析了电容等效损耗模型,得出了双向DC/DC两个滤波电容的不同的损耗表达式,并进行了滤波电容损耗实验。提出了三种滤波电容的损耗优化方案,并从损耗、整机效率、纹波电压、成本和体积等多方面进行了实验对比,确定了综合性能最优的方案,同时实现了电容低温升、高效率、低纹波、低成本和小体积。 综上所述,本文以微电网用双向DC/DC变换器为优化对象,提出了功率器件、磁性元件和电容损耗的优化方法,采用实验对比的方法证明了优化方法的有效性,为电路进一步降低热耗、提高效率和提升功率密度提供了思路和依据。