一种低电压应力高升压比DC/DC变换器的研究

随着“碳中和”、“碳达峰”日益受到关注,可再生能源发电并网技术得到迅速发展。高升压比DC/DC变换器作为新能源发电技术中的关键环节,受到了广泛的研究与应用。在Buck-Boost与Boost变换器级联的基础上,引入改进的电压举升技术,通过二者的组合变形,设计出新型的低电压应力高升压比DC/DC变换器。通过对提出的变换器进行工作原理分析以及各器件的应力计算,并与传统的Boost变换器、Buck-Boost与Boost级联变换器、改进型电压举升Boost变换器的升压比、开关管应力以及电容应力比较,对比可得此变换器具有升压比高,开关管、二极管和电容电压应力低等优点。可有效提升变换器的功率密度,降低开关管及二极管功率损耗,提升效率。最后通过采用SiC器件搭建一台实验样机,验证了理论分析的正确性。

一种适用于燃料电池的新型高升压DC-DC变换器

高升压DC-DC变换器是燃料电池实现并网的重要环节。针对燃料电池输出电压低、输出特性软的问题,提出一种基于开关电容的电流馈电升压变换器。首先,详细阐述了所提变换器的拓扑结构及其在连续导通和不连续导通模式下的工作原理。然后,具体分析了该变换器的电压增益、各元件的电压和电流应力。在此基础上,将其与SC-Boost、SL-Boost等变换器进行性能对比。最后,搭建一台200 W的实验样机验证了所提变换器的可行性和理论分析的正确性。所提变换器结合电流馈电结构和开关电容网络,具有电压增益高、输入电流连续且纹波低的优势,有利于延长燃料电池使用寿命。同时,通过复用开关电容中的电容-二极管(capacitor-diode, C-D)单元对开关管电压进行钳位,降低了功率元件的电压应力。因此,所提变换器适用于燃料电池并网系统。

应用于高升压场合的混合半桥LCC谐振和移相全桥变换器的研究

针对工作于电流断续模式(DCM)移相全桥变换器滞后桥臂无法实现零电压开通的问题,本文提出了一种将半桥LCC谐振变换器与移相全桥变换器输入端并联、输出端串联的拓扑结构。该拓扑结构采用了共用滞后桥臂开关管的策略,在无任何辅助软开关电路的情况下能确保所有开关管在较宽的负载范围内实现零电压开通。文中分析了变换器的工作原理,给出了变换器电压增益推导公式、断续模式最大占空比设计方法、软开关实现条件及相关拓扑的参数,并进行了实验验证。结果表明所提出变换器所有开关管可以在宽负载范围内实现零电压开通(ZVS);所有整流二极管实现零电流关断,提高了变换器整体效率。

基于输入并联输出串联的高效高升压比DC-DC变换器

随着新型可再生能源的快速发展,对高效、高升压比DC-DC变换器的需求日益增加。传统两级级联式结构中,前后两级均需传递全部功率,不利于系统效率的提升。为此,该文提出一种基于输入并联输出串联(IPOS)连接的上下堆叠式高升压比直流变换器,系统的上部分变换器工作在直流变压器(DCX)状态,实现恒电压比传输,处理大部分功率,通过对谐振点处的参数优化实现效率提升;下部分变换器则起到系统闭环动态调压的作用,传输小部分功率。该文详细介绍所提出结构的工作原理、参数设计以及平面变压器的优化设计,并搭建24~32 V/400 V、额定功率200 W、开关频率1 MHz的实验样机验证了理论分析的正确性,所搭建样机峰值测试效率高达96.3%。

LCC谐振式高升压比超声波换能器驱动

针对传统换能器驱动电路带换能器负载和不带负载时压差过大的问题,提出了一种新的换能器驱动电源。在分析和推导补偿拓扑的基础上,使用LCC补偿网络的输出与负载无关特性和后级电路谐振匹配网络设计使带空载时阻抗角接近0°,实现高升压比和低压差。通过对一款40 kHz的换能器进行仿真和实验验证了方案的可行性,在高升压比的情况下,使换能器的压差降低至90 V,达到了减少压差的效果。

用于直流微电网的高升压变换器设计及效率优化

针对清洁能源输出电压等级较低难以实现直流微电网并网的问题,提出一种基于开关耦合电感的无源钳位结构的高升压DC-DC变换器。所提变换器采用开关耦合电感结构连接变换器的输入端与输出端。通过调整耦合电感的匝比提高电压增益。此外,采用无源钳位结构回收漏感能量,抑制功率开关管上的电压尖峰,降低功率开关管的电压应力,提高变换器的电能转换效率。该文介绍变换器的工作原理,推导了变换器的稳态特性和各元件的设计参数,详细分析变换器的损耗以及选择有利的参数提高效率,如合理设计耦合电感匝比。搭建一台输入电压为40 V、输出电压为400 V、满载功率为250 W的实验样机,验证了变换器的可行性和理论分析的正确性。实测的最高效率和满载效率分别为97.59%和97.10%。

一种多路输入高升压Boost变换器

针对光伏发电系统模块多、输出电压低等问题,提出了一种多路输入高升压Boost变换器。首先分析了2路输入高升压Boost变换器的工作原理及性能特点,然后通过拓扑推演,得到了n路输入高升压Boost变换器。在此基础上搭建了输出功率为100 W的实验样机,实验结果表明:n路输入电压平衡时,输出电压与输入电压之比是Boost变换器的n倍;控制简单,无论各个输入电压源电压相等与否,均可以通过一套控制系统实现输出电压恒定;开关器件电压应力低,可以选择额定电压低的器件,有利于提高变换器效率。

双耦合电感二次型高升压增益DC-DC变换器

提出一种双耦合电感单开关二次型高增益变换器。在传统单开关二次型Boost变换器拓扑的基础上,在前级Boost电路单元引入耦合电感,输出端叠加以提升变换器的升压增益特性;同时,通过在后级Boost电路单元引入耦合电感,进一步减小开关管的电压应力。此外,采用无源无损吸收电路抑制了开关管两端的电压尖峰,从而可选取低导通电阻、低电压等级的MOSFET以降低开关管的导通损耗,提高了变换器的效率。文中详细分析了变换器的工作原理及工作特性,最后通过搭建一台200W、18V/200V的实验样机,验证了理论分析的正确性。

一种高升压比的Z源逆变器

传统Z源逆变器能实现升降压变换的功能,同时桥臂不需要死区时间,变换器的可靠性高。引入的无源网络替代了Z源逆变器中和电源正极相连的电感,和传统Z源逆变器相比,可实现更高的电压增益。本文将这两种变换器作了比较,相对于传统的Z源逆变器,高升压比的Z源逆变器不仅具有更高增益的升压变换能力,而且降低了电容电压应力和电感电流纹波。本文在理论研究的基础上,基于简单升压控制方法的实验结果验证了该拓扑的优点。

光伏发电系统中高升压比DC-DC变换器

光伏发电作为太阳能的重要应用方式正受到越来越广泛的关注,普遍采用前级DC-DC变换和后级逆变的结构。单相逆变器的输出电压通常为220 V(AC),这就要求前级DC-DC变换器具有很高的升压比。由于单级式DC-DC变换器难以满足要求,本文采用Boost变换器加ZVS全桥直流变压器的两级式结构。针对ZVS全桥直流变压器的不足,将LLC谐振网络应用于全桥直流变压器电路,提出了一种全桥LLC谐振直流变压器,从而实现整个负载范围内开关管的ZVS和整流二极管的ZCS。最后,分别制作了两台1 kW的原理样机进行实验验证,实验结果验证了理论分析的正确性。

燃料电池新能源船舶高升压Z源电力推进系统

为了解决船舶排放对环境的污染问题和改善推进电机的控制性能,针对燃料电池动态响应上的不足,提出了以燃料电池为主电源超级电容作为辅助电源的新能源船舶,其推进逆变器采用具有高升压比的Z源逆变器,很小的占空比就可以得到很高的升压能力,同时还减少电容和逆变桥的电压应力。详细研究了新能源船舶的运行模式和工作原理,在此基础上推到了系统小信号数学模型,设计了控制器,通过控制直通占空比和调制因子来控制燃料电池和超级电容的输出功率。在船舶运行时,采用直接转矩方法控制推进电机的速度,燃料电池提供平均功率,超级电容提供瞬态功率且吸收制动功率。最后进行了仿真和试验,从而验证了船舶在电动和再生制动工况运行时控制策略的正确性。

高升压比DC-DC变换器的研究

随着电力需求的不断增长,高升压比DC-DC变换器的需求也不断增大。提出了一种新型的高升压比DC-DC变换器,该变换器基于两个围绕LC电路的全桥结构使其工作在增幅谐振状态,实现电容电压导数为正,以此来达到升压的目的,而不需要变压器的参与。详细介绍了该变换器的拓扑结构,分析了该变换器的工作原理,对该变换器建立了数学模型,并给出了变换器的设计步骤,最后在Matlab/Simulink平台上搭建了仿真模型。仿真结果表明:所提出的升压DC-DC变换器将4 kV升压到80 kV,升压比达20,因此具有很高的升压比。

一种新型耦合电感高升压增益单级逆变电路研究

单级可升压逆变电路能够克服传统电压源逆变电路和电流源逆变电路的缺点,近年来得到业界的广泛关注和研究,以Z源逆变器和准Z源逆变器最为典型。该类电路能够实现单级电路的升-降压功能,LC滤波结构增强了逆变电路的安全性。但是独特的升压机理使该类电路升压能力受逆变电路调制因子M的限制而略显不足,限制了其应用场合。本文提出一种高升压增益的单级逆变电路。该电路能够克服传统单级可升压逆变电路升压能力不足的缺点,在较大的调制因子M时,能够得到较大的升压能力,适合应用于要求升压较高的逆变场合,如光伏并网、燃料电池等新能源应用系统。推导了电压的输入-输出关系,分析和研究了所提电路的工作模式和一个工作周期的工作状态。在实验室构建1k W实验样机进行验证,实验所得波形和理论分析、仿真结果非常吻合。

高升压比悬浮交错三电平DC/DC变换器研究

提出一种高升压比悬浮交错三电平DC/DC变换器。该变换器不仅可以实现高升压比,显著减小变换器输入电流纹波,而且开关管承受的电压应力仅为输入电压和输出电压之和的四分之一。首先对变换器工作模态进行分析,推导了变换器电压增益。然后分析了悬浮交错三电平DC/DC变换器飞跨电容电压控制原理,给出了一种飞跨电容均压闭环控制方案。最后通过实验验证了理论分析的正确性。

一种光伏用高升压比高效率直流变换器

以光伏为代表的新能源发电日益受到重视。为提高光伏发电系统的可靠性与发电效率,两级式光伏并网发电系统的前级DC/DC变换器对升压比和效率提出了要求。首先对FIBC拓扑的工作原理、高升压性能、低电力电子器件应力等进行详细分析,与传统Boost电路的对比结果验证了FIBC的优越性;然后建立了Boost和FIBC电路的损耗模型,给出了额定工况下的损耗分布和效率,结果表明同电路参数下FIBC具有更高的效率;接着利用交错控制技术,对FIBC电感参数进行了优化,进一步提高变换器效率;最后给出Boost与FIBC和优化FIBC在不同工作电流下的效率曲线,结果表明优化后FIBC效率提高明显,比Boost更适合用于低压大功率光伏发电系统中。基于Matlab/Simulink平台的仿真结果表明,使用交错技术可以优化电感参数,直流母线输出电压能够稳定在400 V。

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。

一种适用于燃料电池车的高升压比DC/DC变换器

基于传统的半桥LLC谐振变换器,提出一种适用于输入低压大电流、输出高电压小电流的高升压比DC/DC变换器。变换器初级采用输入倍流结构,次级采用倍压输出结构,相比于传统拓扑,谐振电容电流应力和输出电容电压应力均减小一半。同时变换器增益增加了一倍。详细分析了变换器的工作原理,给出一套可行的设计方法。并基于TMS320F28335实现了变换器的数字控制。最后研制了一台额定频率为200 kHz的500 W样机,满载效率为95.8%。

并联谐振型高升压比光伏并网系统

为了使光伏并网系统具有高升压比的同时具备高转换效率,提出了一种非隔离高效两级式并网系统。该系统前级采用电感电容(LC)并联谐振网络产生高电压增益,其开关器件实现了零电压开关(ZVS);后级为典型的单相全桥逆变电路经过LCL滤波后实现并网。阐述了两级式光伏并网系统的工作原理,设计了电路参数;搭建了两级式光伏并网系统仿真模型并基于设计参数进行了仿真验证。仿真实验结果表明,所提出的两极式谐振升压光伏并网系统技术方案切实可行,较之于传统技术方案,实现了非隔离式高升压比,提高了系统工作效率。

高升压比交错并联Boost电路的分析

文章分析了传统Boost电路在实际应用中存在的问题,提出了一种改进型的交错并联Boost电路。在电感电流连续模式下,根据占空比大于或小于0.5的情况,详细分析电路的工作过程,推导了稳态情况下输出输入电压关系式,最后通过仿真验证了理论分析的正确性。

一种新型高升压比DC-DC变换器

针对传统DC-DC变换器存在的输出电压增益不高、能量转换效率较低等问题,提出一种新型高升压比直流变换器。该变换器主电路拓扑结构由Boost电路和电荷泵倍压电路组成,具有相互独立的控制环节,与现有典型的高增益阻抗源DC-DC变换器相比,所提出的变换器可以在较低的输入电压下实现更高的升压增益,同时具有更高的转换效率。详细分析了变换器的工作原理,使用Simulink工具对升压方案进行仿真,验证了方案的可行性。实验结果表明:在5 V输入下,输出电压为380 V,输出纹波为0.82%,转换效率最高为80.6%,可用于驱动高工作电压传感器。