一种基于高自由度电压增益单元的高升压DC-DC变换器

该文提出一种基于高自由度电压增益单元（high degrees of freedom voltage multiplier cell,HD-VMC）的大容量高增益DC/DC变换器,具有输入输出增益高、开关器件电压电流应力低且可调、输入相数可自由扩展且自动均流的优点。上述特性使得所提变换器较适用于大容量高增益直流变换场合,如海上风电直流输电系统中。文中首先对变换器的拓扑构建思路进行阐述,然后以4相输入12个HD-VMCs的变换器为例分析该变换器的工作原理及性能特点,最后通过2.5MW的仿真模型和800W的实验样机验证理论分析的正确性。

具有电压倍增单元的准交错并联高增益DC/DC变换器

利用耦合电感和准交错并联BOOST变换器相结合,提出了一种高增益直流变换器拓扑。由于输入采用准交错并联结构,减小了开关器件的电压应力,实现了电流扩容和纹波抑制。同时引入由耦合电感的二次侧与开关电容一起构成电压倍增单元,进一步提高了变换器电压增益。详细分析了变换器的工作过程和稳态性能,并且通过一台实验样机验证了理论分析的正确性。

基于新型倍压单元的准Z源耦合电感高电压增益DC-DC变换器

提出一种基于新型CLC倍压单元与耦合电感结合的准Z源高电压增益DC-DC变换器。通过倍压单元的改进,无需极限占空比即可实现变换器高升压增益特性。相比于传统准Z源变换器,该变换器具有的低应力特性可以在电路设计中选用电压等级更低、导通电阻更小的MOSSFET以减小导通损耗,从而实现更高的转换效率。在PSIM中搭建一个500 W的仿真模型,验证了拓扑和理论分析的正确性。

含双倍压DCM结构的高增益DC/DC变换器

为了增加直流变换器的电压增益,减少开关管的电压应力,将耦合电感倍压单元与二极管-电容(Diode capacitor multiplier,DCM)单元进行组合,提出一种双倍压DCM结构,将该结构引入含输出二极管的非隔离变换器中,不仅能提升该类变换器的电压增益,有效降低器件的电压应力,同时利用结构中的二极管-电容支路作为无源钳位支路吸收漏感能量,提高变换器的效率。并以含双倍压DCM结构的Sepic变换器为例进行了工作模态和工作性能的分析,推导了电感电流临界的工作状态,与同类型变换器进行了对比分析,充分证明了该类变换器具有高增益、低应力的优势。最后,搭建了一个60W的试验样机,验证了上述理论的正确性。

一种可扩展单元的高增益升压Cuk电路

高增益升压DC-DC变换器越来越广泛地应用于新能源发电、电动汽车、UPS和智能电网等新型应用领域,而高效、低纹波、低应力、低EMI是该类变换器的发展趋势。文中提出一种可扩展单元的高增益升压Cuk变换电路。该电路不仅继承了经典Cuk电路输入输出电流连续、低纹波及较小的传导EMI等优点,而且能够在避免极限占空比的情况下实现大电压变比。所提出电路是结合二极管电容网络结构和改进升压型Cuk电路,构成一个新型高增益升压Cuk电路。论文对所提出电路的工作原理和工作过程进行详细的理论分析,开展电压变比关系、关键参数设计和半导体功率器件电压电流应力特性分析。在此基础上,论文进一步分析拓展二极管电容网络单元,从而提高了变换器的电压增益,减小了开关管电压应力等电路特性。通过分析,可扩展单元的高增益升压Cuk变换电路因具有较低电压应力而能够使用导通电阻小的开关管,从而减小导通损耗,提高变换器的效率。最后,对所提出电路进行计算机仿真,并设计4台功率100W、输入输出电压为60V/400V的原理性实验样机,与其他典型高增益升压变换器进行对比实验,验证提出电路相关理论分析的有效性。

一种改进型低电压应力耦合电感高增益Boost变换器

为了解决耦合电感Boost变换器电压增益低、功率开关管两端电压尖峰高以及输出二极管电压应力大等问题,提出一种改进型低电压应力耦合电感高增益Boost变换器。该变换器通过引入倍压单元,不仅能够吸收漏感能量,抑制开关管两端的电压尖峰,而且能将耦合电感二次侧交流电压整流为直流电压,从而降低输出二极管的电压应力。通过合理设计漏感,可解决二极管的反向恢复问题,并实现所有二极管的零电流关断,从而提高了变换器的工作效率。该电路拓扑中所有功率器件的电压应力均低于输出电压,可选取低耐压、低寄生参数的功率器件。最后搭建了额定功率100 W的实验样机,实测变换器的最大效率达到90. 3%,实验结果验证了理论分析的正确性。

基于新型耦合电感倍压单元的高增益变换器

提高直流变换器的电压增益可以增加变换器的输入和输出电压范围,使其应用场合更加广泛。本文提出两种具有高增益的耦合电感倍压单元,通过改变耦合电感的匝比N可以大幅提高变换器的电压增益。分析了CLC和LCL耦合电感倍压单元的工作原理,给出了耦合电感倍压单元拓扑及其组合拓展结构。并将CLC耦合电感倍压单元拓扑结构应用于传统Boost电路中,分析了基于CLC耦合电感倍压单元Boost变换器工作模态,给出了变换器主要工作波形,推导了变换器的电压增益、开关管和二极管电压应力表达式。理论分析表明,CLC耦合电感倍压单元的Boost变换器具有较高的电压增益,并且开关管的电压应力并没有因为电压增益的提高而增加。实验样机采用接近全耦合的罐型磁心和漏感较大的环形磁心进行对比测试,实验结果与理论分析一致,在全耦合情况下变换器的电压增益提升最大。

基于耦合电感与开关电容单元的高增益DC/DC变换器

提出一种基于耦合电感与开关电容单元的高增益DC/DC变换器。将开关电容单元集成到电路拓扑中,并拓展至n个,提高该变换器调节增益的自由度,使其不仅能通过改变耦合电感匝比来调节电压增益,还能通过增减开关电容单元来改变电压增益。耦合电感中漏感的电流不能突变,使得二极管的反向恢复问题得以解决。漏感能量通过无源箝位电路得到了很好的吸收,进而降低了开关管的电压应力,提高了变换器的效率和可靠性。分析了所提电路拓扑的工作原理,并对比分析了变换器的性能特点。最后,制作了一台输入电压为20~40 V,输出电压为380 V,额定功率为300 W的样机进行实验验证。主要工作波形与理论分析基本一致,且实测最高效率为95.4%,从而验证了理论分析的正确性与所提变换器的可行性。

一种适用于SEPIC变换器的可拓展电压增益单元电路

因寄生参数的影响,基本DC/DC变换器的升压能力受到了限制。针对单端初级电感转换器(SEPIC)变换器提出了一种可拓展电压增益单元电路,通过在基本SEPIC变换器外围接入所提电压增益单元可有效提升变换器输入-输出电压增益,并降低开关器件的电压应力,该变换电路还具备基本SEPIC变换器输入电流连续、低纹波的优点。同时所提电压增益单元中不含有有源开关,使得基本SEPIC变换器的驱动及控制电路都相适应,无需变化。对所提变换器的工作原理和性能特点进行了详细的阐述,并构建了一台300 W的实验样机,对理论分析进行了验证。

输入电流低纹波的超高增益非隔离DC-DC变换器

高电压增益DC-DC变换器广泛应用于清洁能源发电系统。输入电流低纹波有利于延长可再生能源模块和变换器的使用寿命。提出一种集成三绕组耦合电感和倍压电路的超高增益DC-DC变换器。变换器拥有输入电流连续、电压增益高、开关管电压应力小、无源钳位及输入输出共地等优点,特别适合作为并网电路前级DC-DC变换器,应用于清洁能源发电系统。独特的三绕组耦合电感和倍压电路构成的升压结构,使变换器在较小的耦合电感总匝比和合适的占空比下实现了很高的电压增益。和相同电压增益的基于两绕组耦合电感的变换器相比较,增加的降压绕组(n_(2)<1)不但没有增加耦合电感的感量和磁芯体积,反而减少了耦合电感的总电感和磁芯大小。因此在实现相同的升压比时,所提变换器比现有相近结构的变换器耦合电感总感量小,磁芯体积小,相应的耦合电感损耗小,功率密度高。开关管和钳位二极管的低电压应力为选择低导通损耗的开关器件和超快恢复二极管提供了便利,减小了开关管导通损耗和二极管反向恢复损耗。论文详细分析变换器的工作模态、稳态性能、各元器件的电压和电流应力,提出变换器的元器件设计指导准则,最后用实验室样机进行验证,实验结果和理论分析非常契合。

一种高增益低输出纹波电压的二次型Buck-Boost变换器

为提高变换器的电压增益,减小输出纹波电压及降低开关器件的电压应力,将传统二次型Buck-Boost变换器和电压倍增单元、低通滤波器相结合,提出一种改进二次型Buck-Boost变换器。分析该变换器在连续导电模式下的工作原理、开关器件的电压、电流应力及输出纹波电压。根据不同的标准与其它Buck-Boost变换器进行比较,通过对比表明所提改进二次型Buck-Boost变换器不仅具有较高的电压增益,在同等输出电压的情况下减小开关器件电压应力。最后,对改进的二次型Buck-Boost变换器进行建模,仿真和实验结果验证其理论分析的正确性及提高电压增益、减小输出纹波电压的可行性。

一种无电压尖峰的改进型分裂Δ源逆变器

针对传统Δ源逆变器(Δ-source inverter,DSI)存在着开关管有较大的电压尖峰、高增益下输出电能质量差的问题,在分裂Δ源逆变器(Split Δ-source inverter,SDSI)的基础上,加入电压箝位单元,提出了一种改进型分裂Δ源逆变器(Improved split Δ-source inverter,ISDSI),研究了它的拓扑结构与工作状态,重点分析了其稳态升压特性与消除电压尖峰过程,并计算了各开关器件的电压应力。新提出的拓扑保留了SDSI升压占空比和调制因数同向调整的优点,这有助于改善高增益下输出电能质量。此外,新拓扑消除了开关管电压尖峰,降低了开关管和二极管的电压应力。Matlab/Simulink软件仿真和样机试验的结果验证了变换器的性能,证明了所提逆变器能够有效解决Δ源逆变器存在的突出问题。

基于Cockcroft-Walton倍压网络的隔离型高升压比DC-DC变换器

传统Boost变换器由于受到占空比的约束,一定程度上限制了其在高电压增益电源上的应用。本文基于隔离型升压变换器和Cockcroft-Walton电压倍增单元研究了一种具有高电压增益的DC-DC变换器,并分析了其工作原理及特性。该变换器通过整合隔离型升压变换器与电压倍增单元实现了超高升压比转换,与传统Boost变换器相比,该拓扑具有以下优点:①在较低占空比下实现了高电压增益;②较低的有源开关器件电压应力;③单开关结构简化了控制电路。最后,搭建了一台效率可达89.5%的35 W样机,实现了24 V到1 000 V的高升压比转换,并利用样机对理论分析结果进行了验证。

耦合电感型Boost-Sepic高增益DC-DC变换器

为了提高DC-DC变换器电压增益,将Boost变换器与Sepic变换器进行有机结合,提出一种耦合电感型Boost-Sepic高增益DC-DC变换器。该变换器把传统Boost-Sepic电路中的电感换成耦合电感一次侧,耦合电感二次侧和2个倍压单元结合变成桥式倍压单元加入传统Boost-Sepic电路中,以此实现变换器的高增益并降低开关管的电压应力。通过理论分析和实验验证表明:该变换器使得电压增益升高,降低开关管的电压应力实现开关管的零电压开通,又减轻了二极管的反向恢复问题。

一类耦合电感-二极管-电容组合的高增益DC-DC变换器

针对现有DC-DC变换器应用场合与需求,为进一步提高倍压技术,以含耦合电感结构的Boost型变换器作为研究对象,解析其工作原理并重新构造了倍压单元,这一结构保证倍压的同时抑制了开关电容中的电流冲击,且对耦合电感起到了钳位作用,将该DC倍压单元应用于传统的Boost变换器,在此基础上推演提出了新型的Boost、Buck-Boost变换器族。选取含该结构的一个具体拓扑,深入研究该变换器的工作原理以及稳态特性,并进行对比分析其在CCM模式和DCM模式下的各项性能指标,理论分析验证了变换器的高效高增益特性;佐以仿真验证并搭建了一台150 W的实验样机,通过实验进行了验证。

适用于光伏发电系统的新型高增益DC/DC变换器

基于耦合电感、开关管与输入电压源组成的基本功率单元,提出了一种适用于光伏发电系统的新型高增益DC/DC变换器。变换器中耦合电感和二极管-电容结构组成的倍压单元提升了电路的升压比,无源箝位电路对漏感能量进行了二次利用,削弱了开关管漏、源极间的电压震荡,且箝位电容的位置进一步提升了输出电压。另外,漏感的存在缓解了二极管的反向恢复问题,优化了开关管和二极管的选择。详细解释了变换器在不同模式的工作原理,并计算出了电压增益及各元件的电压、电流应力。设计了额定功率为500 W的实验样机来评估所提变换器的可行性与优越性,样机最高效率达到了94.5%。

一种新型高增益准Z源逆变器

针对传统Z源逆变器升压能力不足,电容电压应力较高,输入电流断续,高电压增益时直流链电压利用率较低等问题,提出一种新型高增益准Z源逆变器拓扑。该拓扑结构通过在传统Z源网络中串入升压单元,并引入2个电容和2个电感,提高了升压能力和直流链电压利用率,并拓宽了调制比范围。在相同电压增益条件下,相比传统Z源逆变器,有效降低了电容电压应力;直通占空比更小,可降低系统直通状态时的导通损耗,实现了输入电流连续。升压单元级联越多,升压能力越强,调制比范围越宽,电压利用率越高,电容电压应力越低。在Matlab中进行了大量仿真研究,结果证明所提新型拓扑的正确性与有效性。

一种用于可持续能源的隔离型高增益DC-DC变换器

提出了一种应用于可持续新能源系统的新型隔离式单开关高升压DC-DC变换器。该变换器由倍压单元及变压器构成,通过对变压器匝数比的设计可以实现该变换器不同的高升压比功能。同时,变换器采用无源钳位技术,电容和二极管组成的吸收电路使得漏电感中的能量得以抑制并实现再循环,缓解了开关上的电压尖峰。此外,在提出的升压变换器中使用变压器,获得了具有高升压转换的效果。该拓扑可用于多种要求电隔离的场合,安全性较高且减少了输入输出电流的信号干扰。对该变换器的工作原理及工作特性进行了理论公式推导与模态分析,最后通过搭建一台20 V/200 V、功率为160 W的实验样机验证了理论分析的正确性。

非隔离型高增益DC/DC变换器的研究

针对光伏发电系统中宜流升压变换器升压比高问题,介绍了一种基于电压倍增单元的新型非隔离高增益DC/DC变换器。变换器是在传统两相交错并联Boost变换器基础上,每相电感引入一个二极管和电容单元可获得额外的输入增益,电感输出侧通过电压倍增单元实现高增益输出。分析了变换器的工作原理及其性能特点,通过仿真试验对变换器工作进行理论验证,结果表明在额定工况下变换器的正确性。

一种含有倍压单元的高升压变换器

传统升压变换器由于自身电路结构的限制,在需要高升压场合,容易出现极限占空比的情况。针对现有缺陷,文章提出了一种高增益、高效率的DC-DC变换器——含有倍压单元的高升压变换器。该变换器结合耦合电感,具有升压等级高、调压自由度好、开关管电压应力低等优点,适用于高电压增益场所。文章分析了电路稳态时的工作原理以及工作过程,并经过仿真验证理论分析的正确性。最后,搭建实验样机,验证了电路工作过程的合理性,以及电路的可实施性。