半桥变换器与次序耦合变压器在超级电容均压电源中的应用研究

随着新能源技术与储能系统的快速发展，超级电容凭借功率密度高、充放电速度快、循环寿命长等优势，在电动汽车、轨道交通、可再生能源储能等领域得到广泛应用。然而，超级电容单体电压较低(通常为 2.5-3.8V)，实际应用中需将多个单体串联以满足系统电压需求。由于超级电容单体间存在容量、内阻、漏电流等参数差异，串联使用时易出现电压不均衡现象，导致部分单体过充或过放，严重影响超级电容组的使用寿命与系统安全性。因此，高效可靠的均压技术成为超级电容储能系统发展的关键。

半桥变换器作为一种经典的 DC-DC 变换拓扑，具有结构简单、开关损耗小、输出电压调节范围宽等特点，在电源系统中应用广泛。次序耦合变压器则通过特殊的绕组绕制方式，实现多绕组间的磁耦合与能量传递，为多模块均压提供了新的技术路径。将半桥变换器与次序耦合变压器相结合，构建超级电容均压电源，可充分发挥两者优势，实现超级电容组的高效均压与能量管理，对提升超级电容储能系统性能具有重要意义超级电容串联均压问题分析

(一)电压不均衡产生原因

超级电容串联使用时，电压不均衡主要源于以下三方面：一是生产工艺差异导致的单体参数不一致，包括电容容量、等效串联电阻(ESR)、漏电流等，这些参数差异会使充电过程中各单体电压上升速度不同;二是使用环境差异，如温度分布不均，高温区域的超级电容漏电流增大，易出现电压偏低现象;三是充放电控制策略不合理，若仅基于总电压进行充放电控制，忽略单体电压差异，会进一步加剧电压不均衡。

(二)电压不均衡的危害

电压不均衡对超级电容组的危害显著。一方面，当超级电容组充电时，电压较高的单体可能先达到额定电压，若继续充电，会导致该单体过充，引发电解液分解、电容性能衰减，甚至出现安全隐患;另一方面，放电过程中，电压较低的单体可能先放至截止电压，此时其他单体仍有剩余电量，导致电容组容量利用率降低，影响系统续航能力。因此，必须采用有效的均压技术，抑制超级电容串联后的电压不均衡问题。

半桥变换器与次序耦合变压器的技术特性

(一)半桥变换器的工作原理与优势

半桥变换器由两个功率开关管、两个分压电容和一个高频变压器组成。其工作过程如下：当功率开关管交替导通时，分压电容两端的电压交替加在高频变压器原边绕组上，使变压器副边产生交变电压，经整流滤波后输出稳定的直流电压。半桥变换器的优势主要体现在：一是分压电容的存在，使功率开关管承受的电压仅为输入电压的一半，降低了对开关管耐压等级的要求，减少了器件成本;二是开关管交替导通的方式，降低了开关损耗，提高了变换器的效率;三是通过调节开关管的占空比，可实现输出电压的宽范围调节，适应不同超级电容组的电压需求。

(二)次序耦合变压器的结构设计与能量传递特性

次序耦合变压器采用多绕组结构，绕组之间按照特定的次序进行耦合，实现能量在不同绕组间的有序传递。与传统的多绕组变压器相比，次序耦合变压器的优势在于：一是通过优化绕组的绕制方式(如分段绕制、交错绕制)，减少了绕组间的漏感，提高了能量传递效率;二是利用绕组间的磁耦合作用，可实现多个输出端口的电压均衡控制，无需额外增加复杂的均压电路;三是次序耦合变压器的多绕组结构，可同时为多个超级电容单体或模块提供能量，适应超级电容组的串联拓扑。

次序耦合变压器的能量传递特性基于电磁感应原理，当原边绕组通入交变电流时，铁芯中产生交变磁通，使副边各绕组感应出相应的电压。由于各副边绕组之间存在磁耦合，若某一绕组对应的超级电容电压偏低，该绕组的感应电流会增大，向超级电容补充能量;若电压偏高，感应电流会减小，减少能量输入，从而实现自动均压。这种均压方式无需复杂的控制算法，简化了系统设计，提高了均压的响应速度。

半桥变换器与次序耦合变压器的超级电容均压电源设计

(一)系统拓扑结构

半桥变换器与次序耦合变压器组成的超级电容均压电源系统拓扑如图 1 所示(此处省略图 1，实际应用中需补充)。该系统主要包括输入电路、半桥变换器、次序耦合变压器、整流滤波电路和超级电容组。输入电路为半桥变换器提供稳定的直流输入电压;半桥变换器将输入电压转换为高频交变电压，输入至次序耦合变压器原边;次序耦合变压器通过多副边绕组将能量传递至各整流滤波电路;整流滤波电路将交变电压转换为直流电压，为超级电容组中的各单体或模块充电，并实现电压均衡控制。

在该拓扑中，次序耦合变压器的副边绕组数量与超级电容串联的单体数量一致，每个副边绕组对应一个超级电容单体。通过次序耦合变压器的磁耦合作用，实现各副边绕组输出电压的均衡，进而保证各超级电容单体电压的均衡。同时，半桥变换器通过调节开关管的占空比，控制输入至次序耦合变压器的能量，实现超级电容组的充放电控制与电压调节。

(二)均压控制策略

该均压电源的均压控制主要依赖于次序耦合变压器的自均压特性与半桥变换器的占空比调节相结合。具体控制过程如下：首先，通过电压采样电路实时采集各超级电容单体的电压;其次，若各单体电压均在正常范围内，半桥变换器按照设定的占空比工作，为超级电容组充电或放电，此时次序耦合变压器通过磁耦合作用，自动调节各副边绕组的输出能量，维持单体电压均衡;若某一单体电压偏离正常范围(如高于平均值)，控制系统通过微调半桥变换器的占空比，减少输入至该单体对应的副边绕组的能量，抑制电压继续升高;若某一单体电压低于平均值，增大该绕组的能量输入，补充能量，直至各单体电压趋于一致。

这种控制策略的优势在于：一是利用次序耦合变压器的自均压特性，减少了控制算法的复杂度;二是半桥变换器的占空比调节与变压器的自均压相结合，提高了均压精度与响应速度;三是无需为每个超级电容单体单独设计均压电路，简化了系统结构，降低了成本。

超级电容串联使用中的电压不均衡问题严重影响系统性能与安全，半桥变换器与次序耦合变压器相结合的均压技术为解决该问题提供了有效方案。本文通过分析超级电容均压问题的成因与危害，阐述了半桥变换器与次序耦合变压器的技术特性，设计了基于两者的超级电容均压电源系统，并通过实验验证了该系统的均压精度、效率与动态响应性能。实验结果表明，该均压电源能够实现超级电容组的高效均压，均压精度达到 ±0.03V，效率最高可达 94.2%，动态响应时间小于 0.5ms，具有良好的实用性与可靠性。该技术为超级电容储能系统的发展提供了重要的技术支撑，具有广阔的应用前景与推广价值。