摘要： 隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，共直流母線系統(tǒng)在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。大功率雙向 DCDC 變換器作為該系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，起著能量雙向傳輸、穩(wěn)壓等重要作用。本文詳細(xì)探討了大功率雙向 DCDC 在共直流母線系統(tǒng)中的應(yīng)用原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略以及優(yōu)勢與挑戰(zhàn)，旨在為相關(guān)領(lǐng)域的研究與實(shí)踐提供參考。
一、引言
共直流母線系統(tǒng)整合了多個(gè)電源與負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了電能的集中管理與分配，提高了系統(tǒng)的整體效率與可靠性。大功率雙向 DCDC 變換器能夠靈活地實(shí)現(xiàn)直流母線不同電壓等級(jí)間的能量轉(zhuǎn)換，滿足多樣化的供電需求，成為推動(dòng)共直流母線系統(tǒng)發(fā)展的核心技術(shù)之一。
二、大功率雙向 DCDC 變換器原理
大功率雙向 DCDC 變換器基于電磁感應(yīng)定律或電容、電感的儲(chǔ)能特性，通過控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電能從輸入端向輸出端，或反之的雙向流動(dòng)。在降壓模式下，它類似傳統(tǒng)降壓變換器，將高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓輸出；在升壓模式，能把低電壓抬升至所需的高電壓，滿足不同工況需求。
三、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
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雙向 Buck - Boost 拓?fù)?
這是較為常見的一種結(jié)構(gòu)，由電感、電容、功率開關(guān)管等組成。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，控制方便，能在較寬的電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的雙向轉(zhuǎn)換，適用于對(duì)體積、成本有一定要求的應(yīng)用場景。
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雙有源橋拓?fù)?
采用兩個(gè)全橋電路通過高頻變壓器連接，具有電氣隔離、軟開關(guān)特性易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢，能實(shí)現(xiàn)高效率的大功率能量轉(zhuǎn)換，常用于對(duì)隔離要求高、功率較大的工業(yè)傳動(dòng)、新能源接入等領(lǐng)域，但缺點(diǎn)是電路復(fù)雜度較高，成本相對(duì)昂貴。
四、控制策略
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電壓模式控制
通過采樣輸出電壓與參考電壓比較，利用誤差信號(hào)調(diào)節(jié)功率開關(guān)管的占空比，以維持輸出電壓穩(wěn)定。此方法簡單直接，但對(duì)負(fù)載動(dòng)態(tài)變化響應(yīng)速度較慢。
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電流模式控制
除電壓反饋外，引入電感電流反饋，增強(qiáng)了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，能有效抑制電感電流的過沖，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，不過控制電路設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。
五、在共直流母線系統(tǒng)中的優(yōu)勢
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能量優(yōu)化
可將系統(tǒng)中多余的能量回饋至直流母線，如電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收，避免能量浪費(fèi)，提高能源利用率。
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電壓適配
連接不同電壓等級(jí)的電源與負(fù)載，使它們能在共直流母線架構(gòu)下協(xié)同工作，無需額外的復(fù)雜轉(zhuǎn)換電路。
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系統(tǒng)可靠性提升
當(dāng)部分電源或負(fù)載故障時(shí)，雙向 DCDC 可靈活調(diào)整能量流向，維持直流母線電壓穩(wěn)定，保障系統(tǒng)關(guān)鍵部分持續(xù)運(yùn)行。
六、面臨的挑戰(zhàn)
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散熱問題
大功率運(yùn)行時(shí)，功率器件產(chǎn)生大量熱量，若散熱不當(dāng)，會(huì)降低器件壽命與系統(tǒng)可靠性，需要設(shè)計(jì)高效的散熱結(jié)構(gòu)，如液冷散熱系統(tǒng)。
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電磁干擾
高頻開關(guān)動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈電磁干擾，影響周邊電子設(shè)備正常運(yùn)行，必須采取有效的電磁屏蔽與濾波措施，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜性與成本。
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成本制約
高性能的大功率雙向 DCDC 變換器，尤其是采用復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與先進(jìn)控制策略的產(chǎn)品，其成本較高，限制了在一些對(duì)價(jià)格敏感領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。
七、結(jié)論
大功率雙向 DCDC 在共直流母線系統(tǒng)中具有不可替代的關(guān)鍵作用，盡管面臨散熱、電磁干擾、成本等諸多挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，新材料、新控制算法的涌現(xiàn)，有望逐步克服這些問題。未來，大功率雙向 DCDC 將朝著更高效率、更高功率密度、智能化控制方向發(fā)展，為共直流母線系統(tǒng)在新能源汽車、智能電網(wǎng)、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用注入更強(qiáng)動(dòng)力。
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