谐振软开关耦合电感高增益DCDC变换器
《2024年基于LLC谐振的双向全桥DC-DC变换器的研究》范文
《基于LLC谐振的双向全桥DC-DC变换器的研究》篇一一、引言随着电力电子技术的快速发展，DC-DC变换器在电力系统中扮演着越来越重要的角色。
其中，基于LLC（L-C-C）谐振的双向全桥DC-DC变换器因其高效率、低电压电流应力、软开关等优点，在新能源汽车、可再生能源系统、储能系统等领域得到了广泛应用。
本文旨在研究基于LLC谐振的双向全桥DC-DC变换器的工作原理、设计方法及性能分析。
二、LLC谐振的基本原理LLC谐振变换器是一种采用电感（L）、电容（C）和电容（C）谐振的DC-DC变换器。
其基本原理是利用谐振电路中的电感和电容进行能量传递，通过调节谐振频率和输入电压来实现输出电压的稳定。
在LLC谐振变换器中，全桥电路用于实现能量的双向传递。
三、双向全桥DC-DC变换器的设计3.1 拓扑结构双向全桥DC-DC变换器主要由两个全桥电路、谐振电感、谐振电容以及整流电路等部分组成。
其中，两个全桥电路分别负责能量的输入和输出，通过控制开关管的通断来实现能量的传递。
3.2 设计步骤设计双向全桥DC-DC变换器时，首先需要根据应用需求确定输入输出电压范围、功率等级等参数。
然后，根据参数选择合适的电感、电容等元件，并确定谐振频率。
接着，设计全桥电路的开关管和控制策略，以保证能量的高效传递。
最后，进行仿真和实验验证，对设计进行优化。
四、性能分析4.1 效率分析LLC谐振的双向全桥DC-DC变换器具有高效率的特点。
在谐振状态下，开关管的电压电流应力较低，损耗较小。
此外，软开关技术进一步降低了开关损耗，提高了整体效率。
4.2 稳定性分析该变换器具有较好的输入输出电压稳定性。
通过调节谐振频率和输入电压，可以实现输出电压的快速调整和稳定。
此外，双向全桥电路的设计使得能量可以在两个方向传递，提高了系统的灵活性和可靠性。
五、实验验证及结果分析为了验证基于LLC谐振的双向全桥DC-DC变换器的性能，我们搭建了实验平台并进行了一系列实验。
基于开关电容和耦合电感的交错并联型高电压增益双向DC-DC变换器
Interleaved High Gain Bidirectional DC-DC Converter with Switched Capacitor and Coupled Inductor
Xue Likun 1 Wang Ping 1 Wang Yifeng 1 300072 Yan Haiyun 1 China Jining 272200 China ） Zhang Qiliang2 Tianjin University （ 1. Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education Tianjin 2. State Grid Jining Power Supply Company Abstract
生能源并网发电系统中扮演至关重要的角色，为了
国 家 自 然 科 学 基金 项 目 （ 51307117 、 51207104 ）和 天 津 市 科 技 支 撑计划重点项目（ 14ZCZDGX00035 ）资助。 收稿日期 2014-10-05 改稿日期 2015-10-21
182
电 工 技 术 学 报
2016 年 12 月
功率密度高等优点而被广泛采用 [4-6]。然而，开关电 容充、放电过程中各功率器件上存在较大的电流冲 击 。为了解决此问题，文献 [6,8] 提出了一类升压 型开关电容谐振变换器。文献 [9]则提出了一种基于 开关电容的双向谐振变换器。上述谐振型开关电容 拓扑，可以实现高电压增益和较高效率，但是，极 大的输入电流纹波和较为复杂的电路结构，使得这 些拓扑仅适用于小功率应用场合。耦合电感变换器 往往具有电路结构简单、所需开关器件较少、电路 增益可灵活调节等特点 ，但与谐振型开关电容拓 扑一样，仍具有较大输入电流纹波，较难满足大功 率应用的需要。 为了减小输入电流纹波和开关器件的电压应 力，文献 [10] 提出了一种带开关电容网络的两相交 错并联型高增益 Boost 变换器，并对其工作原理和 各功率开关器件电压应力进行了分析。 在此基础上， 文献 [11] 提出了一种基于开关电容的两相交错并联 双向变换器，能够减小输入电流纹波和开关器件电 压应力，并实现能量的双向流动。但较大的电感量 和输入、输出滤波电容导致其自动均流的动态特性 较差，变换器易出现电流尖峰甚至失稳，另外其升 压、降压模式下最高效率仅为 91%和 90%。 本文在上述研究的基础上提出一种基于开关电 容和耦合电感的 4 相交错并联双向变换器拓扑。目 标是进一步提高双向变换器的效率和功率密度，减 小功率器件电压、电流应力以及进一步提高变换器 电压增益，最终使其满足较大功率分布式储能充、 放电需求。该变换器拓扑如图 1 所示，1 、3 相和 2、 4 相的 PWM 驱动信号分别相同，1 、2 相和 3 、4 相 分别共用一个匝比为 1∶ 1 的耦合电感，不考虑电感 耦合作用，假设各相电感量相同 L 1=L 2=L 3=L 4=L 。 电路利用开关电容 C1、C2、C3 及 CH 实现高增益的升 压、 降压功能， 各开关管的最大电压应力约为 VH /2。
基于开关电容的软开关高电压增益DC-DC变换器
2018年6月电工技术学报Vol.33 No. 12 第33卷第12期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jun. 2018DOI: 10.19595/ki.1000-6753.tces.170247基于开关电容的软开关高电压增益DC-DC变换器雷浩东郝瑞祥游小杰项鹏飞（北京交通大学电气工程学院北京 100044）摘要提出一种基于开关电容的具有高电压增益和软开关特性的DC-DC变换器拓扑。
该拓扑能够在非极端占空比条件下实现高电压增益，并具有类似于传统Boost变换器的PWM电压调节能力。
通过谐振软开关技术，实现所有开关管的零电压开通和所有二极管的零电流关断，有利于提高变换器的效率和功率密度。
变换器中开关管和二极管承受的电压应力低，允许选择低电压等级、低导通电阻的器件。
详细分析变换器拓扑的基本工作原理，对变换器电压增益特性和软开关实现条件等稳态工作特性进行研究。
最后，搭建一台输入25～40V、输出400V/1kW的实验样机，对理论分析进行实验验证。
关键词：开关电容高电压增益谐振电感软开关 DC-DC变换器中图分类号：TM46Soft-Switching High Voltage Gain DC-DC ConverterBased on Switched-CapacitorLei Haodong Hao Ruixiang You Xiaojie Xiang Pengfei（School of Electrical Engineering Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China）Abstract In this paper, a switched-capacitor based DC-DC converter topology with high voltage gain and soft-switching character is presented. The proposed topology can achieve high voltage gain without operating the switches at extreme duty cycle and has PWM voltage regulation ability similar to conventional Boost converter. Through resonant soft-switching technique, zero-voltage switching (ZVS) turn-on of all switches and zero-current switching (ZCS) turn-off of all diodes are achieved, which is useful to improve the efficiency and power density of the converter. The voltage stresses of switches and diodes are low, so low voltage level and low on-resistance devices can be adopted to reduce the conduction losses. The operation principle of the proposed topology was analyzed in detail, and the steady-state characteristics were analyzed, including voltage gain characteristics and soft-switching operating conditions. Finally, a prototype converter with 25-40V input and 400V/1kW output was established, and the experimental results verified the theoretical analysis.Keywords：Switched-capacitor, high voltage gain, resonant inductor, soft-switching, DC-DC converter国家重点研发计划（2016YFE0131700）和中央高校基本科研业务费专项资金（2017YJS176）资助项目。
基于软开关技术的DCDC功率变换器的设计
基于软开关技术的DC/DC功率变换器的设计O 引言基于软开关技术的全桥DC／DC变换器在高频、大功率的直流变换领域，有着广泛的应用前景，它提高了系统的效率，增大了装置的功率密度。
本文设计的变换器现正应用于电子模拟功率负载中，该负载系统要求能有效实现能量回馈电网，且直流高压>540V，低压直流为48~60V，因此，为升压变换。
限于篇幅，本文仅对DC／DC变换器的设计进行讨论，该变换器利用高频变压器的原边漏感、功率MOSFET并联外接的电容实现零电压开关，该方案简单、高效、易实现。
采用改进型移相控制器UC3879为控制核心，对变换器实现恒流输入控制，文中给出了实用的控制电路和主要参数的设计方法。
试验结果证明系统性能优良、效率高、功率密度大。
1 基本原理1.1 DC／DC变换器的电路原理图1所示的是DC／DC功率变换器的电路原理图，功率开关管S1~S4及内部集成的二极管组成全桥开关变换器，S1及S3组成超前桥臂，S2及S4组成滞后桥臂，S1~S4在寄生电容、外接电容C1~C4和变压器漏感的作用F谐振，实现零电压开关。
其中C7为隔直电容，可有效地防止高频变压器的直流偏磁。
低压直流侧滤波电容为C5、C6、L1为共模电感。
实时检测的输入侧电流值同指令电流值比较，得到的误差信号经过PI环节输出，由改进型移相控制器U C3879组成的控制系统实时生成变换器的触发脉冲；系统实行恒流控制，便于在不同负载情况下考核被测试的直流电源组，同时，也利于根据试验考核系统的功率等级，实现多个相同电子模拟负载模块的并联。
经过实验测试，DC／DC功率变换器工作在软开关状态下，输出高压直流为560V时，高频变压器副边电压的峰值高达1000V。
考虑在工程应用中，系统应该有足够的储备裕量，以利于长时间可靠、安全的运行，整流部分由两个完全相同的整流桥串联构成。
1.2 控制策略对于全桥变换器的控制通常有双极性控制方式、有限双极性控制方式和移相控制方式。
基于软开关的宽输入高增益DC／DC变换器
基于软开关的宽输入高增益DC／DC变换器一种基于软开关技术的宽输入高增益DC/DC变换器，前级采用LCL谐振推挽电路，实现软开关、电气隔离、一级升压功能。
后级采用BOOST电路，实现二级升压、输出稳压功能。
对该变换器进行了理论分析，并设计制作了一台额定功率3kW的样机。
采用TI DSP实现数字化控制，输入电压18-32Vdc，输出电压360Vdc，效率高达93%。
理论和实验结果表明，该变换器工作稳定可靠，具有宽输入、高增益、高效率、电气隔离、输出稳压等优势。
标签：软开关；DC/DC变换器；LCL谐振；推挽；BOOST；数字化控制Abstract：This paper studies a wide-input high-gain DC/DC converter based on soft switching technology. The LCL resonant push-pull circuit is used in the front stage to realize the functions of soft switching，electrical isolation and one stage boost. The latter stage adopts BOOST circuit to realize the function of two-stage boost and output voltage stabilization. The converter is theoretically analyzed and a prototype of rated power 3kW is designed and manufactured. Using TI DSP to realize digital control，the input voltage is 18-32Vdc and the output voltage is 360Vdc. The efficiency is as high as 93%. The theoretical and experimental results show that the converter works stably and reliably，and has the advantages such as wide input，high gain，high efficiency，electrical isolation and output voltage stabilization.Keywords：soft switching；DC/DC converter；LCL resonance；push-pull；BOOST；digital control引言便携式光伏逆变器、新型燃料电池电源、车载逆变电源、航空或军用移动电源等设备一般采用低压电池供电，需要首先把电池电压升高到合适的值才能进行逆变输出，因此针对低压输入的宽输入高增益DC/DC变换器，众多学者进行了大量的研究。
DCDC升压变换器谐振软开关设计工具
DCDC升压变换器谐振软开关设计工具在现代电力电子系统中，DC-DC升压变换器被广泛应用于电子设备的供电系统中，起到将低电压转换为高电压的作用。
为了提高DC-DC 升压变换器的效率和性能，谐振软开关设计工具成为了一个不可或缺的工具。
本文将介绍DC-DC升压变换器谐振软开关设计工具的原理、功能和应用。
一、DC-DC升压变换器谐振软开关设计工具的原理谐振软开关设计工具的原理是基于传统的谐振拓扑结构，通过对开关管的控制实现电路中的软开关操作，从而提高能量的转换效率。
谐振软开关设计工具采用谐振电路，在开关管开启和关闭时，利用储能元件（如电感和电容）的自然谐振特性，使电流和电压在开关过程中达到零电压和零电流的状态，从而减少了开关过程中的能量损耗。
在设计过程中，通过合理选择电路参数和控制策略，可以实现谐振软开关的最佳效果。
二、DC-DC升压变换器谐振软开关设计工具的功能1. 参数选择功能：谐振软开关设计工具提供了参数选择的功能，通过输入电压、输出电压和输出功率等参数，自动计算出最佳的电感、电容和开关管的参数，以及相应的工作频率和占空比。
2. 效率分析功能：谐振软开关设计工具可以对设计结果进行效率分析，包括直流转换效率、开关损耗、谐振损耗等参数的计算和评估，帮助设计者选择最优的设计方案。
3. 稳定性评估功能：谐振软开关设计工具可以对电路的稳定性进行评估，包括输入和输出端的稳态和动态特性，帮助设计者判断设计方案是否稳定可靠。
4. 参数优化功能：谐振软开关设计工具可以进行参数优化，通过改变电感、电容和开关管等参数的数值，找到最佳的设计方案，以达到性能的最大化。
三、DC-DC升压变换器谐振软开关设计工具的应用谐振软开关设计工具广泛应用于DC-DC升压变换器的设计和开发过程中。
其主要应用领域包括：1. 电子设备电源模块的设计：谐振软开关设计工具可以帮助设计者选择合适的升压变换器拓扑结构和参数，从而设计出高效、稳定的电源模块，满足不同电子设备的供电需求。
一种低输入电流纹波高增益软开关DC-DC变换器
第27卷㊀第5期2023年5月㊀电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Electri c ㊀Machines ㊀and ㊀Control㊀Vol.27No.5May 2023㊀㊀㊀㊀㊀㊀一种低输入电流纹波高增益软开关DC-DC 变换器林国庆,㊀何恩义(福州大学福建省新能源发电与电能变换重点实验室,福建福州350116)摘㊀要:针对新能源发电系统输出电压低㊁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㊂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㊂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㊂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㊂详细分析了变换器的拓扑结构与工作原理,并对电压增益㊁器件电压电流应力㊁软开关等电路性能进行了分析㊂最后,搭建了一台40V 输入㊁400V 输出㊁额定功率为160W 的试验样机,实验验证了该变换器具有低输入电流纹波㊁高电压增益㊁高变换效率和低电压应力等优点㊂关键词:新能源发电;非隔离;高增益;低输入电流纹波;耦合电感;零电压软开关DOI :10.15938/j.emc.2023.05.008中图分类号:TM46文献标志码:A文章编号:1007-449X(2023)05-0065-11㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2022-10-27基金项目:福建省科技计划(2015H0017);晋江市福大科教园区发展中心科研项目(2019-JJFDKY -37)作者简介:林国庆(1966 ),男,博士,教授,研究方向为电力电子变流技术;何恩义(1998 ),男,硕士研究生,研究方向为高增益直流变换器㊂通信作者:何恩义Low input current ripple high gain soft switching DC-DC converterLIN Guoqing,㊀HE Enyi(Fujian Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion,Fuzhou University,Fuzhou 350116,China)Abstract :In order to solve the problems of low output and poor voltage stability in new energy power gen-eration system,a non-isolated low input current ripple high gain soft switching DC-DC converter was bined with active clamp technology and coupled inductance and diode-capacitor voltage dou-bling structure,by the converter the voltage gain was improved and the voltage stress of the switching de-vice was reduced.The leakage of the coupling inductance effectively alleviates the diode reverse recovery problem,and the leakage energy was recovered and utilized through the active clamp ing coupling inductance leakage,all switching tubes realize zero voltage soft switching,which improves the efficiency of the converter.The topology structure and working principle of the converter are analyzed in detail,and the voltage gain,voltage and current stress of the device and the circuit performance of the soft switch were analyzed.Finally,a prototype with 40V input,400V output and 160W rated power was built.The experimental results show that the converter has the advantages of low input current rip-ple,high voltage gain,high conversion efficiency and low voltage stress.Keywords :new energy generation;non-isolated;high gain;low input current ripple;coupled inductor;zerovoltage soft switching0㊀引㊀言传统能源如石油㊁煤㊁天然气等的存量有限,而且大量使用这些能源会造成环境问题,随着时间的推移,传统能源日益枯竭的问题越来越突出[1],为了解决这一问题,以燃料电池㊁光伏等为首的可再生新能源受到越来越多国内外学者的关注㊂但是,这些可再生能源的输出电压较低,通常低于50V,这一低电压无法给并网逆变器或者负载直接使用,需要高增益直流变换器将其升压至一定的电压等级,通常逆变器的直流母线电压是400V[2-4],因此,研究高增益直流变换器具有重要的研究意义,也符合 碳中和 政策㊂经典Boost电路经常被用来提高电压增益,理论上其电压增益随着占空比的增加可以达到无穷大,但是在实际运用中,其增益受到电路中寄生参数的限制[3]㊂为了克服这一问题,级联㊁二次型㊁Z源等新型升压变换器和开关电容㊁开关电感等倍压结构被国内外学者相继提出㊂文献[5]提出级联式升压结构,这类拓扑所用器件较多,后级开关管和输出二极管的电压应力高,器件成本高,变换器效率低㊂文献[6-7]提出开关电感倍压结构,该类型变换器往往2个开关管不共地,驱动电路复杂㊂文献[8]提出桥式开关电容倍压结构来提高变换器增益,这类变换器增益受器件数量限制,还存在电容直充问题,此外文献[6-9]所提变换器输入输出不共地,会带来电磁干扰问题㊂文献[10]提出二次型升压拓扑,这类电路是从2个级联Boost电路演化而来,通过1个开关管就可以实现较高增益,但是流过前级二极管的电流大,影响变换器效率㊂文献[11]提出准Z源升压拓扑,这类电路是由二次型拓扑演变而来,但其占空比只能小于0.5,限制了电压增益的调节范围㊂文献[12-13]所提变换器通过调节耦合电感匝比就可以灵活调整变换器的增益以满足实际需求,但是耦合电感自身漏感引起电压尖峰,增加了开关管的电压应力,还会带来电磁干扰问题㊂文献[14-15]利用无源钳位方式回收漏感能量,有效抑制了开关管关断电压尖峰,但其开关管工作在硬开关状态,开关损耗大㊂文献[16-18]利用有源钳位电路,实现了所有开关管的零电压软开关,但输入侧耦合电感的漏感导致输入电流纹波较大㊂文献[19-21]采用电流馈入型电路拓扑,通过变换耦合电感位置,解决了因漏感引起的输入电流纹波较大的问题,但其电压增益偏低㊁开关器件应力大㊂针对以上问题,本文提出一种低输入电流纹波高增益软开关DC-DC变换器,该变换器将有源钳位技术和耦合电感与二极管-电容倍压结构相结合,实现了所有开关管的零电压软开关,具有低输入电流纹波㊁高电压增益㊁高变换器效率和低电压应力等优点㊂1㊀电路拓扑及工作原理1.1㊀电路结构本文提出的低电流纹波高增益软开关DC-DC 变换器如图1所示㊂图中:V in为输入电压源,L1为输入电感;S1为主开关管,S2为辅助开关管,C s1㊁C s2为开关管并联电容;L2和L3构成耦合电感T;耦合电感副边绕组㊁二极管D1㊁D2㊁D3与电容C1㊁C3㊁C4构成升压网络;电容C2为储能电容,电容C o为输出电容, R o为负载㊂为了便于原理分析,将耦合电感T等效成变比为1:N的理想变压器与励磁电感L m并联后再与原边及副边折算到原边的漏感之和L k串联,其中N=N s/N p,等效后的电路如图2所示㊂图1㊀所提变换器结构图Fig.1㊀Structure diagram of theconverter图2㊀变换器等效电路图Fig.2㊀Equivalent circuit diagram of the converter 1.2㊀工作原理为了简化分析过程,作出如下假设:66电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀1)输入电感L 1足够大,电感电流连续㊂2)所有二极管均为理想器件,开关管只考虑其寄生二极管,并假设外加并联电容C s1=C s2㊂3)电容C 1㊁C 2㊁C 3㊁C 4㊁C o 足够大,其电容电压在1个开关周期内维持不变,他们两端的电压分别用V C 1㊁V C 2㊁ ㊁V C o 表示㊂该变换器在1个开关周期内共有8个工作模态,各模态等效电路如图3所示,变换器主要工作波形如图4所示㊂2个开关管工作方式为主开关管S 1和辅助开关管S 2互补导通且留有固定死区时间㊂图3㊀工作模态等效电路图Fig.3㊀Equivalent circuit diagram of main working mode1)模态1(t 0~t 1):t 0时刻前,开关管S 2和二极管D 1㊁D 2为导通状态,开关管S 1和二极管D 3为关断状态㊂t 0时刻开关管S 2关断,因并联电容C s2的作用,S 2近似零电压关断㊂这一阶段,漏感L k 与电容C s1㊁C s2谐振,S 2漏源电压v ds2从0开始增加,S 1漏源电压v ds1开始减小㊂各电流流通路径如图3(a)所示㊂76第5期林国庆等:一种低输入电流纹波高增益软开关DC-DC 变换器图4㊀主要工作波形图Fig.4㊀Main working waveform2)模态2(t1~t2):t1时刻,开关管S1漏源电压v ds1减小到0,其体内二极管导通㊂输入电源V in对电感L1充电,输入电流i L1线性增加㊂漏感电流i L k线性减小,励磁电感电流i L m继续线性增加,由于漏感的作用,流经二极管D1㊁D2的电流i D1㊁i D2线性减小㊂各电流流通路径如图3(b)所示㊂该模态输入电流i L1与漏感电流i L k的表达式为:i L1(t)=i L1(t1)+V in L1(t-t1);(1)i L k(t)=i L k(t1)-NV C2+V C3NL k(t-t1)㊂(2) 3)模态3(t2~t3):t2时刻,开关管S1实现零电压导通㊂在漏感作用下,流经二极管D1㊁D2的电流i D1㊁i D2继续线性减小㊂t3时刻,二极管D1㊁D2实现零电流关断,有效缓解二极管关断电压尖峰,解决了二极管反向恢复问题㊂这一阶段的工作模态和上一模态相似,各电流流通路径如图3(c)所示㊂4)模态4(t3~t4):t3时刻,漏感电流i L k减小到与励磁电感电流i L m相等,电流i D1㊁i D2减小到0,二极管D1㊁D2自然关断㊂这一阶段,漏感电流i L k和励磁电感电流i L m线性减小;电容C1㊁C2㊁C3㊁C4与耦合电感副边绕组以及二极管D3㊁开关管S1构成串联回路给电容C1充电;二极管电流i D3从0开始线性增大;输出电容C o给负载R o供电㊂各电流流通路径如图3(d)所示㊂该模态,漏感电流i L k与励磁电感电流i L m的表达式为:i L k(t)=i L k(t3)-V C3+V C4+(1+N)V C2-V C1NL k(t-t3);(3)i L m(t)=i L m(t3)-V C1-V C3-V C4-V C2NL m(t-t3)㊂(4) 5)模态5(t4~t5):t4时刻,因并联电容C s1的作用,开关管S1近似零电压关断㊂这一阶段,输入电感L1㊁漏感L k与电容C s1㊁C s2谐振,漏源电压v ds1从0逐渐增加,电压v ds2逐渐减小,开关管S1关断电压尖峰得到了有效抑制;各电流流通路径如图3(e)所示㊂该模态,开关管S1㊁S2漏源电压表达式分别为: v ds1(t)=Z[i L k(t4)-i L1(t4)]sinω(t-t4);(5) v ds2(t)=(V o-V C1)-Z[i L k(t4)-i L1(t4)]sinω(t-t4)㊂(6)式中:ω=1/L k(C s1+C s2);Z=1/[ω(C s1+C s2)]㊂6)模态6(t5~t6):t5时刻,开关管S2漏源电压v ds2减小到0,其体内二极管导通㊂励磁电感电流i L m 继续线性增加,漏感电流i L k和二极管电流i D3开始线性减小;电感L1通过电容C1㊁开关管S2体二极管㊁输出电容C o和输入电源V in所构成的回路续流,其电流i L1线性减小㊂各电流流通路径如图3(f)所示㊂该模态,漏感电流i L k与输入电流i L1的表达式为:i L k(t)=i L k(t5)-(1+N)(V o-V C2)NL k(t-t5)+V C3+V C4+NV C1NL k(t-t5);(7)i L1(t)=i L1(t5)-V o-V C1-V inL1(t-t5)㊂(8) 7)模态7(t6~t7):t6时刻,漏感电流i L k减小到与励磁电感电流i L m相等,此时二极管电流i D3减小到0,二极管D3自然关断㊂这一阶段,副边绕组分别通过二极管D1㊁D2给电容C3㊁C4充电,二极管电流i D1㊁i D2从0开始线性增加㊂励磁电感电流i L m开始线性减小,漏感电流i L k继续线性减小,漏感能量通过电容C1㊁开关管S2体二极管㊁电容C2㊁输出电容C o 构成的回路,得到有效吸收㊂各电流流通路径如86电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀图3(g)所示㊂该模态,漏感电流i L k与励磁电感电流i L m的表达式为:i L k(t)=i L k(t6)-N(V o-V C1-V C2)-V C3NL k(t-t6);(9)i L m(t)=i L m(t6)-V C3NLm (t-t6)㊂(10)8)模态8(t7~t0):t7时刻,开关管S2实现零电压导通㊂这一阶段,漏感电流i L k和励磁电感电流i L m 线性减小为0后反向线性增大,输出电容C o向负载放电㊂各电流流通路径如图3(h)所示㊂2㊀性能分析2.1㊀电压增益分析为便于分析,忽略时间较短的工作模态和漏感的影响,只保留工作模态4和工作模态8,根据输入电感L1和耦合电感原边电感的伏秒平衡可得:V in D+(V in-V o+V C1)(1-D)=0; V C2D+(V C2-V o+V C1)(1-D)=0㊂}(11)式中D为主开关管S1工作占空比㊂由式(11)可求得:V C2=V in;(12)V o=V C1+V in1-D㊂(13)稳态下,各电容电压的关系为:㊀㊀V C1=V C3+V C4+(1+N)V C2;(14)㊀㊀V C3=V C4;(15)㊀㊀V C3=N(V o-V C1-V C2)㊂(16)联立式(12)~式(16),可以得出V C1㊁V C3㊁V C4与理想电压增益M ideal的表达式分别为:㊀㊀V C1=1+N+ND-D1-D V in;(17)㊀㊀V C3=V C4=ND1-D V in;(18)㊀㊀M ideal=V o Vin =2+N+ND-D1-D㊂(19)由式(19)可知,所提变换器的电压增益远高于传统升压变换器㊂2.2㊀漏感对电压增益影响分析上节式(19)中的电压增益表达式是在忽略漏感的情况下得到的,当考虑漏感时,变换器的增益表达式推导如下㊂根据电容C1㊁C3㊁C4㊁C o安秒平衡以及变换器的工作原理可知,在1个开关周期内,二极管D1~D3平均电流等于输入电流I o,二极管D1~D3峰值电流为:i D1_peak=i D2_peak=2I o1-D;i D3_peak=2I oD㊂üþýïïïï(20)根据电路模态分析,二极管D1~D3峰值电流也可以表示为:i D1_peak=i D2_peak=(NV o-NV C1-NV in-V C3)D2N2L k f s-V C3(1-D)2N2L m f s;(21)i D3_peak=(NV in-V C1+V C3+V C4+V in)DN2L k f s-(V C1-V C3-V C4-V in)DN2L m f s㊂(22)联立式(13)㊁式(15)㊁式(19)~式(22)可以得到考虑漏感时的变换器增益为M=V o Vin=2+N+ND-D1-Dˑ1+K(2-D)/(2+N+ND-D)1+K+N2Q[1/D2+4/(1-D)2]㊂(23)式中:K=L k/L m;Q=L k f s/R o㊂对比式(19)和式(23)可知,变换器电压增益与耦合电感漏感有关,当考虑漏感后,变换器电压增益减小㊂2.3㊀电压应力分析由工作模态4和工作模态8可知,开关管S1㊁S2两端的电压应力为㊀㊀V ds1=V ds2=V o-V C1=V in1-D=V o2+N+ND-D㊂(24)二极管D1~D3两端的电压应力为:V D1=V D2=N1-D V in=NV o2+N+ND-D;(25) V D3=1+N1-D V in=(1+N)V o2+N+ND-D㊂(26)由式(24)~式(26)可知,开关管电压应力与二96第5期林国庆等:一种低输入电流纹波高增益软开关DC-DC变换器极管电压应力均低于输出电压V o ,因此可以选择低耐压㊁性能高的开关管以提高变换器的效率㊂2.4㊀电流应力分析根据原理分析,假设励磁电感和漏感平均电流参考方向如图5所示,通过节点电流分析可得:I L k_avg =I D3_avg +I C 2_avg =I D3_avg =I o ;I L k_avg -I L m_avg =N (I D1_avg +I C 4_avg )=NI o ㊂}(27)由式(27)可得励磁电感上的平均电流为I L m_avg =(1-N )I o ㊂(28)图5㊀耦合电感原边绕组平均电流参考方向图Fig.5㊀Reference pattern of average current of primarywinding of coupled inductor为了方便分析,简化了部分器件的电流波形,忽略输入电感L 1与励磁电感L m 上的电流纹波,简化后的电流波形如图6所示㊂图6㊀简化电流波形图Fig.6㊀Simplified current waveform假设变换器转换效率为100%,由式(19)可得I L 1=2+N +ND -D1-DI o ㊂(29)在一个开关周期内,二极管D 1㊁D 2电流表达式为㊀i D1(t )=i D2(t )=0,0ɤt ɤDT s ;2I o (1-D )2T s(t -DT s ),DT s <t ɤT s ㊂ìîíïïï(30)在一个开关周期内,二极管D 3电流表达式为i D3(t )=2I o D 2T st ,0ɤt ɤDT s ;0,DT s <t ɤT s ㊂ìîíïïï(31)由式(30)㊁式(31)并结合电路模态分析可知,二极管D 1~D 3的电流应力为:i D1,2_stress =i D1(t 1)=i D2(t 1)=2I o 1-D ;i D3_stress =i D3(t 5)=2I oD㊂üþýïïïï(32)由式(28)㊁式(29)㊁式(31)并根据电路模态分析,t 4时刻二极管D 3电流近似等于t 5时刻,开关管S 1㊁S 2上的电流应力为:i S1_stress =I L 1-I L m_avg +(1+N )i D3(t 5)=2(1+N )-D D (1-D )I o;i S2_stress =I L 1-I L m_avg =1+2N 1-DI o ㊂üþýïïïïïï(33)2.5㊀软开关条件分析由1.2节工作原理分析可知,开关管在并联电容C s1㊁C s2的作用下实现了零电压关断;当开关管S 2实现零电压开通时,输入电感L 1和漏感L k 共同参与谐振,S 2容易实现零电压开通㊂而对于开关管S 1,其实现零电压开通必须满足下列条件㊂条件1:在t 0时刻,要有电流给电容C s2充电,同时给电容C s1放电,通过节点电流分析,此时漏感电流i L k 要大于输入电感电流i L 1,即i L k (t 0)-i L 1(t 0)=2Ni D1_peak +I L m_avg +V in D2L m f s()-IL 1-V in D 2L 1f s()=2N -11-D +V in D 2f s 1L m +1L 1()>0㊂(34)当匝比N 大于0.5时,条件1始终满足㊂条件2:根据能量守恒分析,在t 0时刻储存在漏07电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀感中的能量要足以将电容C s2㊁C s1进行完整充放电,因此需要满足(忽略电感L1和励磁电感L m上的纹波电流):12L k[2Ni D1_peak+I L m_avg]2-12L k I2L1ȡV2in(C s1+C s2)2(1-D)2㊂(35)条件3:由式(6)可知,S2漏源电压v ds2谐振到0的时间为1/4谐振周期,为了使变换器具有较宽的软开关范围,1/4谐振周期应该等于或略小于死区时间t dead,因此漏感和开关管并联电容取值需要满足:π2L k(C s1+C s2)ɤt dead㊂(36) 2.7㊀变换器性能对比本文所提变换器与文献[14]㊁文献[18-19]㊁文献[21]所提变换器的对比结果归纳于表1,图7给出了变换器电压增益对比曲线㊂由表1和图7可知,与文献[14]相比,本文所提变换器中多了1个开关管,但其所有开关管均可实现零电压软开关,电路效率高㊁电压增益大;与文献[18]相比,本文所提变换器所用器件更少,输入电流纹波更小;与文献[19]相比,器件数量一致,但本文所提变换器具有更高的电压增益,开关管电压应力也更低;与文献[21]相比,本文所提变换器多了1个电容和1个二极管,但大幅提高了电压增益,开关管电压应力也更低㊂与文献[19]㊁文献[21]相比,3种变换器输入电流均为连续导通模式(continuous conduction mode,CCM)下的Boost电感电流,其输入电流纹波为Δi L=V in D L1f s=V o L1f sDM㊂(37)由于本文所提变换器具有更高的电压增益,因此在相同的输入输出下,开关管工作占空比更小,因此其输入电流纹波也更低㊂图7㊀变换器电压增益对比曲线Fig.7㊀Converter voltage gain comparision表1㊀变换器性能对比Table1㊀Converter performance comparison变换器种类文献[14]文献[18]文献[19]文献[21]本文变换器电压增益2+N1-D 1+2N+ND1-D N+ND1-D2+N1-D2+N+ND-D1-D开关管应力V o2+NV o1+2N+NDV oN+NDV o2+NV o2+N+ND-D开关管数量12222二极管数量45323电容数量46545磁芯数量22222零电压软开关否是是是是输入电流纹波大大小小小3㊀关键参数计算3.1㊀输入电感参数设计变换器工作在CCM模式时,输入电感的取值和其输入电流纹波有关,设电流纹波率为r,则Δi L=rI L1㊂(38)联立式(29)㊁式(37)㊁式(38)可得电感L1的最小电感值为17第5期林国庆等:一种低输入电流纹波高增益软开关DC-DC变换器L1=V in D(1-D)r(2+N+ND-D)I o f s㊂(39) 3.2㊀谐振参数设计计算1)谐振电容取值考虑㊂由式(35)可知,谐振电容越大,其储存的能量就越多,软开关条件越不容易满足;谐振电容取值小,谐振电容充放电速度快,在开关管关断时,漏源电压上升斜率就大,不利于开关管实现零电压关断㊂因此,电容C s1㊁C s2的取值需要结合实际情况,依此分析,折衷考虑㊂2)谐振电感计算㊂谐振电感即为耦合电感自身漏感,结合软开关所需死区时间和软开关条件分析进行计算㊂将式(20)㊁式(28)~式(29)代入式(35)可得L kȡV2in(C s1+C s2)(2N-1)[(4N+3)+2D(N-1)]I2o㊂(40)由式(36)可得L kɤ4t2deadπ2(C s1+C s2)㊂(41)综上分析,若漏感取值不够大,其储存的能量不足以使谐振电容电压谐振到0;但是漏感太大会导致谐振周期过长,无法在死区时间内实现零电压软开关㊂因此,实际设计时应折衷考虑㊂3.3㊀电容计算假设电容C1㊁C2㊁C3㊁C4上的纹波电压分别为ΔV C1㊁ΔV C2㊁ΔV C3㊁ΔV C4,则这4个开关电容取值范围分别为:C1ȡI oΔV C1fs;C2ȡI L1-I oΔV C2f s;C3ȡI oΔV C3fs;C4ȡI oΔV C4fs ㊂üþýïïïïïïïïïï(42)假设在1个开关周期中输出滤波电容上的电压变化值为ΔV o,根据电容储能公式可知,输出电容的取值范围为C oȡ2P out[V2o-(V o-ΔV o)2]f s㊂(43)式中P out为额定输出功率㊂4㊀实验验证基于上述理论分析与关键参数的设计计算,研制一台160W的低输入电流纹波高增益软开关DC-DC变换器实验样机㊂电路各参数如表2所示,试验样机如图8所示㊂表2㊀主电路参数Table2㊀Main circuit parameters㊀㊀㊀参数数值输入电压V in/V40输出电压V o/V400开关频率f s/kHz100额定输出功率P out/W160匝比N(N s/N p)2电感L1/μH140漏感L k/μH10励磁电感L m/μH100.2开关管S1㊁S2AOK095A60二极管D1㊁D2㊁D3MUR860电容C1㊁C3㊁C4/μF10电容C2/μF47电容C o/μF100图8㊀实验样机Fig.8㊀Experimental prototype图9为开关管S1驱动电压㊁输入电压以及输出电压波形图㊂可以看出,当占空比约为0.565时,变换器实现了40V到401V的升压,电压增益为10.025,与理论分析相符㊂在相同条件下与文献[19]电路相比,电压增益提高了3倍㊂27电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀图9㊀变换器输入㊁输出电压与开关管S 1驱动电压波形Fig.9㊀Converter input&output voltage and switchingtube S 1drive voltage图10为开关管S 1㊁S 2驱动电压与输入电感L 1的电流波形图,可以看出,输入电流纹波仅为1.67A,电流纹波率为0.4左右,输入电流纹波较小㊂图10㊀开关管S 1㊁S 2驱动电压与输入电感L 1电流波形图Fig.10㊀Switching tube S 1㊁S 2drive voltage and inputinductance L 1current waveform图11(a)~图11(c)为二极管D 1~D 3电流和电压应力波形图㊂可以看出,各二极管的电压应力均低于输出电压;图中虚线圈位置看出,二极管的反向恢复问题得到有效解决㊂图12为满载情况下开关管S 1和S 2的驱动和漏源电压波形图,可以看出,主开关管S 1和辅助开关管S 2均实现了零电压导通,且开关管关断时没有电压尖峰,漏感能量得到有效吸收,与文献[18-19]相比,开关管电压应力也更低,为90V㊂图13为半载条件下,开关管S 1和S 2的驱动与漏源电压波形图㊂可以看出,在半载条件下,2个开关管也都实现了零电压导通,变换器可以在宽负载范围实现零电压软开关㊂图14为本文所提变换器与文献[15]所提变换器的效率对比曲线㊂可以看出,文献[15]所提变换器在110W 附近达到最高效率约93.7%,本文变换器最高效率可达95.48%,满载(160W)时的效率为95.23%㊂图11㊀二极管D 1~D 3电流和电压波形图Fig.11㊀Diode D 1~D 3current and voltage stress wave-form图12㊀满载开关管零电压开关实验波形Fig.12㊀Experimental waveforms of full-load about switch S 1 s and S 2 s ZVS performance37第5期林国庆等:一种低输入电流纹波高增益软开关DC-DC 变换器图13㊀半载开关管零电压开关实验波形Fig.13㊀Experimental waveforms of half-load about switch S 1 s and S 2 s ZVSperformance图14㊀效率对比曲线Fig.14㊀Efficiency contrast curve5㊀结㊀论本文提出一种新型的低输入电流纹波高增益软开关DC -DC 变换器,详细分析了该变换器的工作原理,并通过实验验证了理论分析的正确性,实验结果表明,该变换器具有如下优点:1)耦合电感不在输入侧,输入电流为CCM 模式下Boost 电感电流,输入电流纹波低㊂2)变换器可以通过调节开关管占空比D 和耦合电感匝比N 2个自由度来调整变换器的电压增益,调节灵活,可在较小的占空比下获得较高的电压增益㊂3)利用有源钳位电路有效吸收了漏感能量,2个开关管均没有关断电压尖峰,开关管电压应力小,且2个开关管均实现了零电压导通,变换器具有较高的转换效率㊂参考文献:[1]㊀林国庆,张宙.一种双输入高增益DC-DC 变换器[J].电机与控制学报,2021,25(1):104.LIN Guoqing,ZHANG Zhou.Dual-input high step-up DC-DC con-verter[J].Electric Machines and Control,2021,25(1):104.[2]㊀ANDRADE A M S S,FAISTEL T M K,TOEBE A,et al.Family oftransformerless active switched inductor and switched capacitor Cuk DC-DC converter for high voltage gain applications[J].IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics,2021,2(4):391.[3]㊀NADERI A,ABBASZADEH K.High step-up DC-DC converterwith input current ripple cancellation [J].IET Power Electronics,2016,9(12):2394.[4]㊀SCHMITZ L,MARTINS D C,COELHO R F.Generalized highstep-up DC-DC boost-based converter with gain cell [J].IEEE Transactions on Circuits and Systems I:Regular Papers,2017,64(2):481.[5]㊀KUMAR A,KAMAL S,RAGHURAM M,et al.High gain quasi-mutually coupled active impedance source converter utilizing re-duced components count[J].IEEE Transactions on Industry Ap-plications,2019,55(6):6376.[6]㊀侯世英,冯斌,颜文森,等.基于有源开关电感网络和DCM 单元组的DC-DC 升压变换器[J].电机与控制学报,2017,21(7):20.HOU Shiying,FENG Bin,YAN Wensen,et al.Step-up DC-DC converter based on active switched-inductor network and diode-ca-pacitor multipliers [J].Electric Machines and Control,2017,21(7):20.[7]㊀WU X,SHI W,DU J.Dual-switch boost DC-DC converter for use in fuel-cell-powered vehicles[J].IEEE Access,2019,7:74081.[8]㊀吴刚,阮新波,叶志红.采用开关电容的非隔离型高升压比直流变换器[J].中国电机工程学报,2015,35(2):442.WU Gang,RUAN Xinbo,YE Zhihong.Non-isolated high step-up DC-DC converters adopting switched-capacitor cell [J].Proceed-ings of the CSEE,2015,35(2):442.[9]㊀ELSAYAD N,MORADISIZKOOHI H,MOHAMMED O.A newSEPIC-based step-up DC-DC converter with wide conversion ratio for fuel cell vehicles:analysis and design[J].IEEE Transactionson Industrial Electronics,2020,68(8):6390.[10]㊀KUMAR G G,SUNDARAMOORTHY K,KARTHIKEYAN V,etal.Switched capacitor-inductor network based ultra-gain DC-DC converter using single switch[J].IEEE Transactions on IndustrialElectronics,2020,67(12):10274.[11]㊀ZHANG Y,FU C,SUMNER M,et al.A wide input-voltage rangequasi-Z-source boost DC-DC converter with high-voltage gain forfuel cell vehicles[J].IEEE Transactions on Industrial Electron-ics,2017,65(6):5201.[12]㊀李洪珠,刘飞扬,刘艳,等.一种新型磁集成高增益耦合电感47电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀倍压Boost变换器[J].电工技术学报,2020,35(S2):450.LI Hongzhu,LIU Feiyang,LIU Yan,et al.A new magnetically in-tegrated high gain coupled inductance voltage-doubled boost con-verter[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2020,35(S2):450.[13]㊀JIAN A,LIN M.High step-up DC-DC converter with low power:device voltage stress for a distributed generation system[J].IETPower Electronics,2018,11(12):1955.[14]㊀FARAKHOR A,ARDI H,ABAPOUR M.Analysis and designprocedure of a novel high voltage gain DC/DC boost converter[C]//20178th Power Electronics,Drive Systems&TechnologiesConference(PEDSTC),February14-16,2017,Mashhad,Iran.2017:454-459.[15]㊀荣德生,陈靓,孙瑄,等.一类耦合电感-二极管-电容组合的高增益DC-DC变换器[J].电机与控制学报,2022,26(6):142.RONG Desheng,CHEN Liang,SUN Xuan,et al.Analysis of to-pology of coupled inductor combined switching capacitor high gainboost converter[J].Electric Machines and Control,2022,26(6):142.[16]㊀ZHANG X,SUN L,GUAN Y,et al.Novel high step-up soft-switc-hing DC-DC converter based on switched capacitor and coupledinductor[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2020,35(9):9471.[17]㊀屈克庆,冯苗苗,赵晋斌.基于耦合电感的新型高增益软开关直流变换器[J].电机与控制学报,2017,21(8):25.QU Keqing,FENG Miaomiao,ZHAO Jinbin.A novel high gainsoft-switching DC-DC converter based on coupled inductor[J].E-lectric Machines and Control,2017,21(8):25. [18]㊀NARAYANA C L,SURYAWANSHI H M,NACHANKAR P,etal.A quintupler boost high conversion gain soft-switched convert-er for DC microgrid[J].IEEE Transactions on Circuits and Sys-tems II:Express Briefs,2021,69(3):1287.[19]㊀ZAOSKOUFIS K,TATAKIS E C.Isolated ZVS-ZCS DC-DC highstep-up converter with low-ripple input current[J].IEEE Journalof Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics,2021,2(4):464.[20]㊀DO H L.A soft-switching DC/DC converter with high voltage gain[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2010,25(5):1193.[21]㊀SCHMITZ L,CACAU R G A,HORN T P,et al.High step-upnon-isolated ZVS-ZCS DC-DC Cúk-based converter[J].IETPower Electronics,2020,13(7):1343.(编辑:邱赫男)57第5期林国庆等:一种低输入电流纹波高增益软开关DC-DC变换器Copyright©博看网. All Rights Reserved.。
基于耦合电感的新型高升压开关电容DC-DC变换器
专利名称：基于耦合电感的新型高升压开关电容DC-DC变换器
专利类型：实用新型专利
发明人：张相军,蔡虹耶,刘峰,杨宇蕙,马鑫
申请号：CN202120707699.0
申请日：20210407
公开号：CN215646609U
公开日：
20220125
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种基于耦合电感的新型高升压开关电容DC‑DC变换器，主要包括：两个开关管，五个二极管，四个电容器、一个耦合电感器，其中，第一开关管置于第一二极管和第二二极管之间，并将第一开关电容器的两端分别与第一开关管漏极和与开关管源极相连的第二二极管阴极连接，构建成新型Boost开关电容储能模块；耦合电感器的原边分别与第三开关电容与第四二极管的串联结构并联，开关电容模块与第二开关管并联、与耦合电感器的副边、第二开关电容和第三二极管的串联结构并联，输出二极管位于第三开关电容器与负载之间。
该变换器在低占空比控制下，即可提高开关电容变换器的电压增益，并简化变换器的结构。
申请人：哈尔滨修齐治平科技开发有限公司
地址：150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区银行街2号1号楼地下室-1层D02-68室
国籍：CN
代理机构：哈尔滨市阳光惠远知识产权代理有限公司
代理人：孙莉莉
更多信息请下载全文后查看。
基于耦合电感倍压单元的高增益DCDC变换器
Copyright©博看网 . All Rights Reserved.
电气传动 2020 年 第 50 卷 第 12 期
关键词：变换器；高增益；耦合电感 ；倍压单元 中图分类号：TM46 文献标识码：A DOI：10.19457/j.1001-2095.dqcd20106
High Voltage Gain DC/DC Converter Based on Coupled Inductor Voltage-doubler Cell LUO Xi1，LUO Chunlin2，SHU Chaojun1，WU Tianqiang1
Abstract: In order to meet the front-end requirements of renewable energy applications such as photovoltaic power generation，a new type of high-gain DC/DC converter was proposed. The converter combined a multiwinding coupled inductor with a voltage doubler cell to achieve a high voltage gain by varying the coupled inductor voltage ratio，so as to eliminate the need for an extreme duty cycle. The voltage gain was increased by the series structure on the output side，and the added coupled inductor winding could be extended with a voltage doubler cell. In addition，through the passive absorption circuit，the leakage inductance was absorbed effectively. The proposed converter had the characteristics of low voltage stress and high boost ratio. The working principle of the proposed circuit in CCM mode was analyzed firstly，and then its main performance characteristics were theoretically derived，and the extended circuit was discussed. Finally，the correctness of the theoretical analysis was verified by an experimental prototype of 30 V/380 V and a power of 200 W.
基于耦合电感的新型高增益软开关直流变换器
基于耦合电感的新型高增益软开关直流变换器屈克庆;冯苗苗;赵晋斌【摘要】Aiming at solving the high voltage gain problem of boost converter,a high gain soft-switching DC-DC converter with coupled inductor was proposed,which is based on a high step-up boost converter with charge pump capacitor.The working principle,performance comparison and parameters design of the converter were discussed.The simulation result verified the correctness of theoretical analysis.By introducing coupled inductor and switched capacitor,degree of freedom to regulate converter's voltage gain is extended,which breaks the limit regulating voltage gain only by the duty ratios.Voltage stress on output diode is decreased,and the diode reverse recovery problems caused by leakage inductance is also eased.By using the active clamp circuit,the converter reduces voltage stress on switches and achieves soft switching,so switching loss is reduced.%针对升压直流变换器的高增益问题,以一种带有泵升电容的Boost变换器为基础,提出一种基于耦合电感的新型高增益软开关直流变换器.讨论该变换器的工作原理、性能对比分析、关键参数设计,并且通过仿真验证了理论分析的正确性.该变换器通过引入耦合电感和倍压电容不仅拓展了调控电压增益的自由度,突破了仅由占空比来提升电压的局限,还减小了输出二极管的电压应力,且耦合电感中的漏感缓解了二极管反向恢复问题.利用有源钳位的方法减小了开关两端的应力,并使所有开关管实现软开通,使电路损耗得以降低.【期刊名称】《电机与控制学报》【年(卷),期】2017(021)008【总页数】8页(P25-32)【关键词】升压变换器;高增益;耦合电感;有源钳位;倍压电容;零电压开关【作者】屈克庆;冯苗苗;赵晋斌【作者单位】上海电力学院电气工程学院,上海 200090;上海电力学院电气工程学院,上海 200090;上海电力学院电气工程学院,上海 200090【正文语种】中文【中图分类】TM46随着一次能源的储量减少以及对电力的需求日渐上涨，使得发展绿色的新能源成为必然。
一种基于耦合电感的高增益软开关谐振变换器
一种基于耦合电感的高增益软开关谐振变换器王哲;李驰;郑泽东;李永东【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2024(39)1【摘要】该文提出了一种具有高增益、软开关的新型谐振变换器。
该谐振变换器使用耦合电感来提高电压增益,升压比不仅取决于占空比,还取决于耦合电感的变比,具有高增益的优点。
此外,由于采用了有源钳位技术,漏感中的能量可以被回收利用,用来对开关管的结电容充放电提供能量,从而实现软开关。
由于采用了耦合电感,所提出的变换器可以在较低的开关管电压应力的情况下实现较高的输出电压,因此可以使用低导通电阻的低压器件,从而提升系统的效率。
该文分析了该谐振变换器的工作原理,并推导了输出电压、关断电流应力等参数的解析表达式。
在此基础上,从理论上分析了该变换器取得软开关的条件,并对该变换器的各个器件的电压电流应力进行分析,为器件选型提供了理论依据。
最后,搭建1kW实验样机,针对该文提出的基于耦合电感的谐振变换器的高增益、软开关、低电压应力、高效率等性能进行了实验验证。
通过实验得出所提出的拓扑可以在10倍增益的情况下达到最高97.5%的效率,表明所提拓扑的优越性。
【总页数】12页(P194-205)【作者】王哲;李驰;郑泽东;李永东【作者单位】电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学)【正文语种】中文【中图分类】TM131.3【相关文献】1.基于耦合电感的新型高增益软开关直流变换器2.一种耦合电感高增益开关DC/DC变换器3.谐振软开关耦合电感高增益DC-DC变换器4.一种基于耦合电感的单开关高增益直流变换器5.基于耦合电感的低电压应力高增益软开关DC-DC变换器因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
国家自然科学基金资助项目（51177140）。 收稿日期 2017-07-27 改稿日期 2017-11-21
748
电工技术学报
2019 年 2 月
林雪凤 许建平 周 翔
（西南交通大学磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室 成都 610031）
摘要 提出一种谐振软开关耦合电感高增益 DC-DC 变换器，通过引入辅助网络，将 Boost 变换器的输出二极管替换为开关管，实现全部开关管的零电压导通（ZVS）和二极管的零电流关 断（ZCS），并降低开关管的开关损耗，消除二极管的反向恢复问题。同时，变换器输出端为三个 输出单元串联，提高变换器的电压增益，避免变换器工作于极限占空比，在实现高升压增益的同 时降低开关管电压应力。因此可选取低电压等级、低导通电阻的 MOSFET，以提高变换器效率。 倍压电容与耦合电感的漏感谐振，可减小开关管关断时刻电流，降低开关损耗，进一步提高变换 器效率。研究变换器的工作原理和工作特性，分析开关管 ZVS 条件。设计制作一台 160W 的实验 样机，实验结果验证了理论分析的正确性。
关键词：软开关 高增益 耦合电感 谐振 中图分类号：TM46
Soft-Switched High Step-Up DC-DC Converter with Coupled Inductor of Resonance
Lin Xuefeng Xu Jianping Zhou Xiang （The Ministry of Education Key Laboratory of Magnetic Suspension Technology and Maglev Vehicle
为了研究高增益、高效率的 DC-DC 变换器， 已有大量文献提出了多种具有高升压特性的变换器 拓扑。开关电容电路通过多个电容并联充电、串联 放电可实现高输出电压，但电容由串联变为并联时 产生严重的电流尖峰，增加器件损耗，并引起严重 的电磁干扰[3-6]。类似地，开关电感电路通过多个电 感并联充电、串联放电得到高输出电压，但电感由 并联转为串联时产生严重的电压尖峰[7,8]。引入耦合 电感的变换器可通过改变匝比获得高输出电压[9,10]， 但开关管关断时，耦合电感的漏感会引起电压尖峰； 采用有源钳位可抑制其电压尖峰[11]，但增加了电路 复杂性。类似地，通过在变换器滤波电感上引入第 二绕组构成耦合电感，利用其匝比进行升压[12-15]。 文献[16,17]提出了一种 Boost-Flyback 变换器，通过 共用 Boost 变换器与 Flyback 变换器输入电感，以 及将输出串联，提高了变换器的电压增益。文献 [18-20] 提 出 了 一 种 软 开 关 电 流 连 续 模 式 （ Current Continuous Mode, CCM）Boost 变换器，用开关管代 替 Boost 变换器中的输出二极管，并通过增加辅助 电 路 使 两 个 开 关 管 实 现 零 电 压 导 通 （ Zero-VoltageSwitching, ZVS），二极管零电流关断（Zero-CurrentSwitching, ZCS），提高了变换器工作效率。
Southwest Jiaotong University Chengdu 610031 China）
Abstract A soft-switched high step-up converter with coupled inductor is proposed in this paper. By replacing the output diode of conventional Boost converter with an active switch, zero-voltage-switched turn-on of power switches and zero-current-switched turn-off of diodes can be achieved, which reduce switching loss and alleviate reverse-recovery problem of diodes. Owing to the output-series of three units, the proposed converter can achieve high voltage gain without extreme high duty cycle and high voltage stress. Thus low-voltage-rated MOSFETs can be utilized to improve the efficiency. By designing the resonance between the leakage inductor of coupled inductor and multi-voltage capacitor, the current of switches can be decreased when they are turned off, which can reduce switching loss. The steady-state operating characteristics and the requirement of the ZVS of the proposed converter are analyzed in detail. Experimental results of a 160W prototype verify the theoretical analysis.
2019 年 2 月 第 34 卷第 4 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
DOI: 10.19595/ki.1000-6753.tces.171105
Vol.34 No. 4 Fe0 引言
由于光伏组件输出电压较低，为给后级逆变器 供电，光伏并网发电系统前级需要高升压增益 DCDC 变换器，将光伏组件的输出电压升高作为后级 逆变器的输入[1,2]。传统 Boost 变换器拓扑简单、易 控制，但受电路寄生参数的影响，其升压增益有限， 并且在高升压增益时，存在开关管电压应力大、工 作于极限占空比、开关管开关损耗大、变换器效率 低等问题。