一种交叉倍压型高增益DC/DC变换器

针对光伏发电、燃料电池发电等领域对高增益直流变换器的需求,以两相交错并联升压变换器为研究对象,由2个含有电感的倍压单元组合设计出实现电压提升的交叉倍压结构,据此提出了一种新颖的交叉倍压型高增益DC/DC变换器。该变换器可实现(3n+4)/(1-d)倍的高电压增益(1∶n为耦合电感匝数比,d为变换器占空比),且具有电路器件的低电压应力特性。对于漏感引起的开关管电压尖峰问题,引入了钳位电容构成释放漏感能量通道,同时提升了输出电压。介绍了新型交叉倍压型高增益变换器的拓扑结构,分析了变换器各模态的工作过程,推导了电压增益、输入电流纹波及各器件电压应力等稳态特性,并搭建样机进行实验研究,验证了该直流变换技术方案的可行性和先进性。

低输入电感电流纹波二次型Boost PFC变换器

针对Boost功率因数校正(power factor correction,PFC)变换器输入电感电流纹波大、电磁干扰(electromagnetic interference,EMI)问题严重的缺点,提出将二次型Boost变换器应用于PFC变换器,简称二次型Boost PFC变换器,并分析其电路工作模态。当输入电感工作于连续导电模式(continuous conduction mode,CCM)时,根据储能电感的工作模式(CCM和断续导电模式(discontinuous conduction mode,DCM)),将CCM二次型Boost PFC变换器分为CCM-CCM二次型Boost PFC变换器和CCM-DCM二次型Boost PFC变换器。分析不同交流输入电压等级下CCMBoost PFC变换器和二次型Boost PFC变换器的输入电感电流纹波和占空比变化范围。结果表明,与CCM Boost PFC变换器相比,CCM二次型Boost PFC变换器减小了输入电感电流纹波和占空比变化范围。最后,通过仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。

单级Boost桥式PFC变换器的Buck启动策略研究

单级桥式功率因数校正(power factor correction,PFC)AC/DC变换器结构特点,导致启动过程中输入电感中电流较大,容易发生过流,影响系统的可靠性。结合有源钳位单级PFC变换器结构特点,提出一种基于Buck模式的启动策略,通过改变启动过程中开关管的开关时序,有效抑制输入电感过流。该策略具有不增加主电路复杂程度、不改变电路正常工作状态、不影响系统性能等优点。介绍启动过程,建立简化模型,并在此基础上分析启动过程中输入电感电流的变化情况,设计启动占空比,最后进行实验研究。实验结果验证了理论分析的正确性,表明该策略能够有效抑制单级桥式PFC变换器启动过程中输入电感过流。

耦合电感宽输入有源升降压逆变器

传统升压电路由于占空比的限制,升压能力有限,要使输出电压恒定,输入直流电压不能太低。提出了一种耦合电感宽输入有源升降压逆变器,分析了电路的工作模态、开关管应力和电路增益。通过设置耦合电感的匝比,在输入电压较低时,该电路可以实现较高幅值的交流电压输出;输入电压较高时可以实现降压逆变。适时修正耦合电感Boost AC/AC电路的占空比,可以使电路增益保持恒定。仿真和实验结果表明该电路能够在较宽的输入电压范围内实现升压和降压逆变。

适用于温差发电的高效率耦合电感升降压变换器

针对温差电池输出电压变化范围宽、输出电流大且要求电流纹波小的需求,提出了一种高效率耦合电感升降压变换器,该变换器由Boost单元和Buck单元级联组合、并将两单元滤波电感反向耦合构成。变换器输入输出电感反向耦合,使得磁心直流磁通相互抵消,大大减小了滤波器磁心体积和损耗,提高了变换器的效率和功率密度,同时输入、输出电流连续,减小了滤波电容的容量。文中详细分析了所提出的耦合电感升降压变换器的工作原理,深入研究了电感耦合系数对变换器的影响并给出了耦合电感设计准则,采用载波交叠的PWM调制策略以及共用调节器的恒压/恒流控制策略,实现了变换器在恒压和恒流模式之间的无缝平滑切换。搭建了一台500W的实验样机,验证了理论分析的正确性和可行性。

双电源输入磁集成开关电感Boost变换器

为了提高双电源输入Boost变换器的电压增益,降低输出电感电流纹波,提出了一种双电源输入开关电感磁集成Boost变换器。将开关电感单元替代双电源输入Boost变换器中的储能电感,并将所有开关电感单元中的电感集成为一个耦合电感。分析了变换器的单电源输入和双电源输入状态下的工作模态,推导出变换器在不同状态下的电压增益表达式,并推导得出变换器的暂稳态电感,对暂稳态电感的研究推导得出该类变换器耦合电感耦合度的设计范围。最后制作实验样机对该分析进行验证。结果表明双电源输入磁集成开关电感Boost变换器具有优良的综合性能。

一种应用于光伏并网发电系统的新型双输入DC-DC变换器

提出一种具有高增益低电压应力的双输入DC-DC变换器,该变换器由2个上下对称的耦合电感Boost变换器组成。具有单输入和双输入2个模式,在单输入状态下只有一个开关管工作;在双输入状态下有2个开关管工作。新型变换器可以通过改变耦合电感的匝比来提升变换器电压增益;输出端采用三电平结构使变换器开关管和二极管电压应力减小。分析了变换器在单输入和双输入模式下的工作模态;给出了变换器主要工作波形;推导了变换器电压增益,开关管和二极管电压应力,分析了漏感对变换器电压增益的影响。通过实验验证了理论分析的正确性。

具有高增益、低输入电流纹波的Boost变换器研究

针对光伏、燃料电池等低压可再生能源发电系统,在传统Boost变换器基础上,利用耦合电感的原边替代基本Boost变换器中的独立电感,同时引入一个较小的辅助电感,提出一种单开关高增益、低输入电流纹波Boost变换器。耦合电感的使用,既增加了变换器的控制维度,又能在合适占空比条件下实现较高的电压增益;较小的输入电流纹波可以改善变换器对前端低压输入电源的电磁干扰;另外,该变换器中开关管的电压应力可以得到有效降低,有利于选取低电压等级、低导通电阻的高性能开关器件,以提高变换器的性能;详细分析了该变换器的工作原理及其稳态工作特性,并通过实验验证了理论分析的正确性与有效性。结果表明,所提变换器可以实现较高的电压增益和较小的输入电流纹波,具有实用价值。

一种耦合电感双输入升降压变换器

针对温差发电模块输出电压宽范围变化并要求电流纹波小的特点,提出一种耦合电感双输入升降压变换器。其前端为两个Boost单元并联实现双输入,再级联Buck单元实现升降压;Boost与Buck电感反向耦合,减少了磁心数目,并且磁心直流磁通相互抵消,减小了磁心体积和损耗,大大提高了变换效率和功率密度;提出了相应的控制和调制策略以实现分布式MPPT及宽输入电压范围各种工作模态间的平滑切换。详细分析了变换器工作原理和耦合电感特性,搭建了一台450W实验样机,验证了理论分析的正确性和可实现性。

基于LC吸收电路的耦合电感倍压单元高升压增益Boost变换器

提出一种基于LC吸收单元的耦合电感倍压单元高增益Boost变换器。在Boost变换器中引入耦合电感倍压单元,通过调节耦合电感变比,可实现Boost变换器的高升压增益特性。同时,引入LC吸收电路网络,回收了漏感能量,抑制了开关管两端的电压尖峰,从而可通过选取低导通电阻、低电压等级的MOSFET,以降低变换器成本和开关管的导通损耗,提高变换器的效率。提出的变换器消除了耦合电感的二次侧漏感与输出二极管寄生电容带来的二极管电压尖峰振荡问题,从而减小了二极管的电压应力,进一步改善了变换器的效率。此外,采用LC吸收电路的高增益变换器具有输入电流连续、易实现高升压增益特性的优点,适用于新能源发电领域。详细分析了该变换器的工作原理及工作特性,给出了关键参数的设计原则。最后,通过实验结果验证了理论分析的正确性。

一种应用于分布式电源的高增益双输入DC-DC变换器

通过对传统开关电感倍压单元的研究,提出一种新型耦合电感倍压单元。针对分布式电源需要多个电源输入的要求,提出一种高增益低电压应力的双输入DC-DC变换器。新型变换器具有单输入和双输入2种模式;通过改变耦合电感倍压单元的匝比,可以大幅提升变换器电压增益;在输出端采用三电平结构,双输入模式变换器开关管和二极管截止时,两端电压仅为输出电压的50%。分析了变换器在单输入、双输入模式下的工作模态;给出了变换器主要工作波形;推导了变换器电压增益、开关管和二极管两端电压表达式;根据变压器模型建立了漏感等效模型,并分析了漏感对变换器电压增益的影响。通过实验验证了理论分析的正确性。

基于耦合电感的输入电流连续型高增益准Z源逆变器

基于耦合电感的输入电流连续的高增益准Z源逆变器(CL-qZSI),继承了传统Z源逆变器的优点,未增加无源器件数量,可获得更高的升压比;针对CL-qZSI,介绍了该类逆变器的拓扑推衍及其工作原理,在二极管及电容电压应力、匝比和直通占空比对升压因子的影响及耦合电感体积方面做了详细的比较,对比分析了该类逆变器各拓扑的性能。针对实验室原理样机的实验结果证明了该原理的正确性。

一种低输入电流纹波高增益软开关DC-DC变换器

针对新能源发电系统输出电压低、电压稳定性差等问题,提出一种非隔离型低输入电流纹波高增益软开关直流变换器。该变换器结合有源钳位技术和耦合电感与二极管-电容倍压结构,提高了变换器的电压增益,降低了开关器件的电压应力。耦合电感自身漏感有效缓解二极管反向恢复问题,并通过有源钳位网络回收利用了漏感的能量,开关管无关断电压尖峰。利用耦合电感漏感,所有开关管均实现了零电压软开关,提高了变换器的效率。详细分析了变换器的拓扑结构与工作原理,并对电压增益、器件电压电流应力、软开关等电路性能进行了分析。最后,搭建了一台40 V输入、400 V输出、额定功率为160 W的试验样机,实验验证了该变换器具有低输入电流纹波、高电压增益、高变换效率和低电压应力等优点。

基于 LC 吸收电路的耦合电感高升压增益变换器

提出一种带无源无损LC吸收电路的耦合电感高增益升压变换器,采用电容、电感和二极管组成的无源吸收电路网络,回收了变换器中漏感能量,同时抑制了开关管两端的电压尖峰,从而减小了开关管的电压应力。与传统有源箝位或无源吸收电路相比,具有LC吸收电路的耦合电感Boost变换器的输入电流连续,简化了输入滤波器的设计。同时,该变换器仅有一个开关管,且通过调节耦合电感变比可实现高升压增益特性,在新能源领域具有广泛的应用前景。文中详细分析了该变换器的工作原理及工作特性,最后通过搭建一台100 W、45 V/200 V的实验样机,验证了理论分析的正确性。

双输入磁集成开关电感Zeta变换器

为了提高传统Zeta变换器的电压增益、减小电感电流纹波和变换器中磁性器件的体积和重量,提出了一种双输入磁集成开关电感Zeta变换器。该变换器是在传统Zeta变换器的基础上增加一路输入变为双电源输入Zeta变换器,并在结构中用2个开关电感单元分别代替储能电感,对开关电感单元中的电感进行了磁集成。通过分析变换器的不同工作模态,推导出变换器的电压增益表达式,分析了电感电流纹波的大小,并给出了变换器的磁集成设计方案。与传统Zeta变换器相比,所提变换器的电压增益提高了2(1+D)倍,开关电感电流纹波减小了近一半。最后用仿真及实验对理论分析进行验证,结果表明所提变换器具有优良的综合性能。

基于开关电感的混合二次型Boost DC/DC变换器

针对传统直流变换器升压能力不足的问题,在二次型Boost变换器的基础上,结合开关电感单元具有提高升压比的优点,提出了混合二次型Boost变换器.详细分析了混合二次型Boost DC/DC变换器输入电感L_1=L_2、L_1>L_2和L_1<L_2情况下的工作原理.与传统二次型Boost变换器相比,混合二次型Boost变换器升压比更高,输入电感较小.在理论研究基础上,通过搭建实验样机,验证了混合二次型Boost DC/DC变换器的可行性.

基于飞跨电感的高升压比级联式DC/DC变换器

高升压比DC/DC变换器在微电源并网、不间断电源以及车载电源等场合均有广泛应用,飞跨电感模块既具有升、降压能力,又可以实现能量双向流动。利用多个飞跨电感模块输入、输出端串、并联组成共正极、共负极和不共地3种不同结构的级联式高升压比DC/DC变换器,其均可在较合适的占空比下维持较低的电流应力,获得高电压增益。模块间采用载波移相调制可以减小模块输入侧电流纹波、变换器输出电压纹波和输出滤波电容容值。详细介绍了飞跨电感模块和DC/DC变换器的结构及工作原理,并以其中不共地变换器拓扑为例通过仿真和实验验证了其正确性。所提变换器具有电压增益便于调节、扩容方便和应用范围广等优点。

基于拓扑组合的交错并联耦合电感高增益DC-DC变换器

针对分布式发电系统、航空航天、电动汽车等领域高电压传输比的应用场景,文章提出一种新型交错并联耦合电感高增益DC-DC变换器。所提电路结构采用拓扑组合的形式进行交错并联,一方面扩大了变换器的容量;另一方面降低了输入电流纹波。同时,当匝数比相等时,两相变换器耦合电感处理的功率相等,不存在功率失衡问题。通过集成倍压电容进一步提高了电压增益,降低了功率器件的电压应力,因此可以采用低电压等级、高性能的功率器件来提高变换器的工作效率。采用无源箝位电路吸收并利用耦合电感的漏感能量,降低了开关管的电压尖峰。此外,漏感缓解了二极管的反向恢复问题,提高了变换器的可靠性。详细地分析该变换器的工作原理、稳态性能,并搭建1000W的样机进行验证,实测最高效率为97.2%,满载效率为94.5%,实验结果验证了理论分析的正确性及所提变换器拓扑的可行性。

基于耦合电感的对称式交错并联低输入电流纹波高增益DC-DC变换器

针对高电压增益、大功率应用场景,提出一种基于耦合电感的对称式交错并联DC-DC变换器。该电路拓扑结合了交错并联与耦合电感的优势,一方面扩大了变换器的容量,降低了输入电流纹波;另一方面可以利用耦合电感的匝比来调节电压增益,提高了变换器的灵活性。由于两相电路耦合在一起,且完全对称,可以实现自动均流,因此,不存在功率失衡问题。通过集成开关电容单元(SCU),并将其扩展至n个,进一步提高了电压增益,避免了耦合电感匝比过高的问题,同时还降低了功率器件的电压应力,因此,可以采用低电压等级、高性能的半导体器件来提高变换器的工作效率。分析该变换器的工作原理、稳态性能,并制作一台额定功率为1kW的样机,实测变换器的最高效率为97.34%,满载时(1kW)效率为94.64%。实验结果验证了理论分析的正确性,以及所提变换器的可行性。

采用峰值电感电流控制的直流-直流电压转换器

针对可穿戴设备需要小型化和适应各种应用场景要求的问题,提出了一种单电感多输入多输出的升压-降压型DC-DC转换器,以采集多种能量为可穿戴设备供电。由于转换器既需要高的效率,又需要稳定的负载电压,提出了结合峰值电感电流控制策略和基于阈值变频策略的峰值电感电流脉冲频率调制技术。峰值电感电流脉冲频率调制技术根据各输入输出端口状态来改变能量传输频率,从而实现各能量源最大功率点追踪和负载端电压的调制;同时,通过控制每次能量传递时流过电感的峰值电流大小,提高转换效率并降低输出电压纹波。此外,采用两种低功耗控制策略以降低控制电路功耗:使用低供电电压为控制电路供电;令部分控制电路断续工作。采用华润上华CMOS 0.18μm工艺完成了转换器电路及版图设计,并进行了仿真验证。后仿真结果表明,在0.2～3V输入电压范围和0.001～3mW负载范围内,转换器效率能够保持在73.8%以上,控制电路功耗小于300nW。