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雙向升降壓型直流-直流轉換器於電能轉換與儲能系統之研製與應用

2019-01-28

謝宏毅副教授、施勝方同學、沈楚寅同學

國立嘉義大學電機工程學系

 


摘要
本文旨在研製一建置於直流埠和儲能槽之間的雙向全橋升降壓型直流-直流電源轉換器,以降壓模式和升壓模式進行儲能槽的充放電來適當調整直流埠提供到負載的直流準位。本文選用鉛蓄電池組成儲能槽,直流埠則為各種能源的匯流,當直流埠能源過剩,轉換器處於降壓模式,以定電流定電壓充電法對電池充電;反之,在當直流埠能源不足時,轉換器則處於升壓模式,以定電流對電池放電提供能量給負載。本研究之雙向轉換器係利用相移控制訊號時序來調整轉換器責任週期[1, 2],使轉換器在降壓模式能達到柔性零電壓切換以提升效率[3-10]。本研製所設計之雙向全橋直流-直流轉換器,其規格為儲能槽電壓54 V,直流埠電壓380 V及最大輸出功率1 kW。實驗結果可獲得降壓模式狀態之最高轉換效率可達90.8%,而升壓模式狀態之最高轉換效率亦可達88%。

 

圖1 未來家庭式儲能系統所可能搭配之應用。

 

一、簡介
隨著科技的發展,雖然為人類的生活帶來了舒適與便捷,但為了能符合環保需求並解決能源匱乏的問題,再生能源與綠能產業的發展隨即因應而生,同時,電能轉換與儲能系統之完備度則越顯重要[11, 12];其中搭配太陽能、風能與燃料電池等發電設備之應用,以及其相關技術之發展則更趨重要且不容忽視。圖1中所示為未來家庭式儲能系統所可能搭配之應用,本文之技術研製主要聚焦於圖中(紅色邊框所示)之雙向升降壓型直流-直流電源轉換器的研發,透過此系統之研製,當各式再生能源供應能量大於家庭所需時,可適時的將多餘能量儲存起來,直到再生能源供應能量不敷家庭用量時,再將能量釋放出來,藉此來達到調配家庭電力供需的平衡。

二、電路架構與運作模式分析簡介
為達成此一目的,本文研製了一雙向升降壓型直流-直流電源轉換器,其電路結構如圖2所示,其運作方式分別使用相移全橋技術來控制轉換器操作在降壓模式,以及使用電流饋入式全橋轉換器來執行升壓模式[13]。本研究之雙向轉換器利用相移控制訊號時序來調整轉換器責任週期,使轉換器在降壓模式能達到零電壓切換之目的(Zero Voltage Switching,ZVS)以提升效率。

 

圖2 雙向升降壓型直流-直流電源轉換器之主電路系統架構圖。

2.1、降壓模式之電路分析簡介
轉換器電路操作於降壓模式之波形如圖3所示,其功率開關Q5~Q8處於截止狀態,而Q1~Q4則採用相移全橋之脈波寬調變技術,輸出四組PWM訊號分別驅動Q1~Q4,同臂上下開關的驅動訊號相差180°且加入死域(Deadtime)區間以避免短路現象的產生,並藉由改變兩臂脈波訊號的相位差來調整責任週期之位移,以完成功率開關零電壓切換的動作。

圖3 轉換器電路操作於降壓模式之波形圖 。

2.2、升壓模式之電路分析簡介
轉換器電路操作於升壓模式之波形如圖4所示,此時電路操作於輸入端電流饋入模式之全橋轉換器,為了使輸入電感進行反覆儲存與釋放能量的操作,需設計控制器輸出兩組責任週期大於50%的PWM訊號,兩組訊號以相位差180°各別驅動Q5、Q8與Q6、Q7,轉換器操作在四顆開關全部導通或其中一組對角開關導通之個別狀態下,使輸入電感擁有儲存與釋放能量的路徑,而功率開關Q1~Q4則皆處於截止狀態。

 

圖4 轉換器電路操作於升壓模式之波形圖。

三、實驗結果與量測說明
當轉換器操作在降壓模式時,可藉由改變兩臂脈波訊號的相位差來調整責任週期,因此相移全橋會有上(下)臂兩顆開關同時導通的情況,此情況提供開關在導通前利用變壓器一次側漏感(或外加電感)能量,用以釋放開關輸出電容Coss的能量,使開關輸出端電壓Vce在導通前保持零電壓以完成ZVS切換動作,實驗結果如圖5所示,由實驗結果可知開關Q1確實完成零電壓切換動作,轉換器之工作效率因此可獲得有效提升。

圖5 功率開關Q1完成零電壓切換動作之實驗結果圖(開關訊號Vge1、開關跨壓Vce1、開關電流Ice1)。

圖6所示為轉換器操作於降壓模式下,於各種輸入電壓、輸入電流、輸入功率、輸出電壓、輸出電流、輸出功率及效率之實務量測結果,由實驗結果可得知,效率於輕載時可達85%以上、中載時可達90%以上、重載時(逾1.3 kW)亦可達88%以上,由此可知,實驗結果滿足所規劃之高效率系統設計需求。

圖6 轉換器操作於降壓模式下之各式實務量測(含系統轉換效率)結果。

 

圖7所示則為轉換器操作於升壓模式下,於各種輸入電壓、輸入電流、輸入功率、輸出電壓、輸出電流、輸出功率及效率之實務量測結果,由實驗結果可得知,效率於輕載時可達83%以上、中載時可達86%以上、重載時(逾1 kW)亦可達88%,由此可知,實驗結果亦滿足所規劃之高效率系統設計需求。

圖7 轉換器操作於升壓模式下之各式實務量測(含系統轉換效率)結果。

四、結論
本文提出一雙向升降壓型直流-直流轉換器之研製設計,其所應用範圍為直流埠電壓380 V、儲能槽電壓54 V與最大輸出功率1.3 kW,並可將其建置在再生能源直流埠和儲能槽之間,以降壓模式或升壓模式進行儲能槽的充放電設計,並可作適當的雙向條節直流埠與負載能量準位之用。降壓模式之運作採用相移式全橋轉換控制設計,使轉換器達成零電壓切換目標以提升系統效率,效率可達90%以上;升壓模式之運作則採用電流饋入模式以提升轉換器之電壓操作範圍,效率亦可達88%,實驗結果皆可滿足高效能之綠能發展應用。

 

參考文獻
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