开关-耦合电感DC-DC变换器

本文提出了开关-耦合电感DC-DC变换电路。在针对已经含有开关电感模块和耦合电感模块的DC-DC拓扑族的研究之上,将开关电感和耦合电感进行耦合,使其作为开关-耦合电感发挥作用,进而得到高电压增益、效率得到改善的新式软开关DC-DC变换器。该类变换器集成了含有开关电感模块和耦合电感模块的DC-DC变换器的升压功能,并且同时实现了有源器件的软开关,改善了效率。主要有源器件S在导通的时候实现了零电流导通（ZCS）,减少了它的损耗。关断时漏感能量通过嵌位二极管传递到输出侧,减少了能量损耗、改善了EMI环境。整流二极管能够在零电流（ZCS）情况下关断,此状态优化可以二极管的反向恢复特性,降低反向关断时的损耗。以开关-耦合电感Boost变换器为例进行了该类电路的研究,分别分析了电路的工作原理和周期工作模式,并推导了电压增益的数学公式。在理论指导下,采用200W开关-耦合电感Boost实验样机,证实所提电路理推理的可实施性和准确性。     

谐振软开关耦合电感高增益DC-DC变换器

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。     

耦合电感零输入纹波高增益非隔离DC-DC变换器

光伏、燃料电池等新能源系统的应用使低输入电流纹波高增益DC-DC变换器成为研究热点。在一种零输入电流纹波Boost变换器基础上,采用耦合电感,提出一种零输入电流纹波高增益非隔离DC-DC变换器。通过设计耦合电感变比,可实现变换器的高升压增益特性。耦合电感中存在的漏感在减缓二极管关断电流的 di/dt 的同时,却带来了开关管两端严重的电压尖峰。为了降低开关管两端的电压尖峰,提出采用无源无损吸收电路以吸收漏感能量和开关管两端电压尖峰的零输入电流纹波高增益非隔离DC-DC变换器,进而可选取低导通电阻、低电压等级的MOSFET以降低导通损耗,提高了变换器的效率。另外,变换器几乎实现了输入电流的零纹波,基本上不需要输入滤波器,从而减小了变换器成本及体积。文中分析变换器的工作原理及工作特性,最后通过搭建一台100 W、40 V/200 V的实验样机,验证理论分析的正确性。     

耦合电感准Z源高升压增益变换器

在此提出一种基于耦合电感的准Z源高增益变换器,利用Z源网络的直通状态实现变换器的升压特性,同时通过调节耦合电感变比,无需极限占空比即可实现变换器的高升压增益特性。相比于传统的Z源变换器,该变换器开关管电压应力减小,可选取低电压等级、低导通电阻的MOSFET以减小导通损耗,提高变换器效率;漏感能量通过二极管放电到电容,有效利用了漏感能量,不会造成开关的电压尖峰,无需额外的电路吸收网络;此外,该变换器的输入电流连续,适用于新能源发电应用场合。在此详细分析了变换器工作于电感电流连续模式(CCM)的工作原理和直流稳态特性,给出了电路参数设计步骤及变换器功率损耗分析。最后,搭建了实验平台验证了理论分析的正确性。     

一种高增益软开关Boost-Forward变换器

提出一种高增益软开关Boost-Forward变换器。通过采用耦合电感提高了变换器的电压增益,开关管两端的并联电容限制了关断时的电压变化率,降低了关断损耗,合理设置开关驱动之间的死区,实现了开关管零电压开通。开关管的电压应力均低于输出电压,可采用低导通电阻的开关管降低导通损耗。合理设计漏感大小,解决了二极管的反向恢复问题。此外,耦合电感在开关导通和关断期间均向二次侧传递了能量,提高了耦合电感利用率。最后搭建了一台实验样机,实验结果验证了理论分析的正确性。     

一种高增益耦合电感双管Sepic变换器

针对传统DC-DC变换器电压增益低,开关器件电压应力大和损耗高的问题,在传统Sepic变换器的基础上,引入耦合电感单元和有源开关电感单元,提出了一种高增益耦合电感双管Sepic变换器拓扑结构。该变换器具有高电压增益,避免了变换器工作在极限占空比状态,降低了开关器件电压应力,实现二极管的零电流关断和开关管的零电流开通,缓解二极管的反向恢复问题,减小开关管的损耗,提高变换器的效率。详细分析该变换器的工作原理,推导变换器的电压增益和开关器件的电压应力大小,研究漏感导致的占空比丢失问题对变换器增益的影响,给出关键参数设计,与其他拓扑在电压增益、开关器件电压应力等方面进行性能对比分析,最后设计一台100 W的实验样机,实验结果验证了理论分析的正确性。     

一种高增益交错耦合电感直流变换器

提出一种高增益交错耦合电感直流-直流升压变换器,适用于低输入电压、高输入电流的低压可再生能源发电系统应用场合,如光伏/燃料电池发电系统。该变换器在输入端把两个耦合电感的原边电流进行交错并联,减小了输入电流和输出电压纹波;两个耦合电感的副边串联后再与一电容相结合组成倍压单元,进一步提高变换器的电压增益。该电路结构中,使用两个交错串联的输出电容,它们既能回收利用耦合电感的漏感能量,又能钳位开关管的漏源电压,减小开关管电压应力,因此,有利于选择低导通电阻、高性能的开关器件以进一步减小功率管的开关和导通损耗。另外,耦合电感的漏感可使主开关管零电流开通,同时漏感也能控制二极管关断电流的下降率,大大减轻二极管的反向恢复问题。论文详细分析所提变换器的工作原理和稳态特性,最后通过一台实验样机验证了理论分析的正确性。     

输入电流低纹波的超高增益非隔离DC-DC变换器EI北大核心CSCD

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。     

基于耦合电感倍压单元的零输入电流纹波高增益非隔离变换器

提出一种基于耦合电感倍压单元的零输入电流纹波非隔离型高增益DC-DC变换器。该变换器由零输入电流纹波Boost变换器和耦合电感单元组成,通过设计耦合电感电压比,实现了高升压增益特性。同时,采用无源无损吸收电路消除了漏感引起的开关管两端电压尖峰,降低了开关管的电压应力。通过增加由电容和二极管组成的倍压单元,进一步减小了开关管的电压应力,同时消除了输出二极管的电压尖峰,降低了二极管电压应力。因此,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。此外,还实现了变换器的零输入电流纹波,降低了输入滤波器的设计难度。文中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。     

一种适用于光伏并网发电系统的高增益ZVT交错并联Boost变换器

本文提出了一种新型的有源交错并联ZVT软开关电路，该电路是在普通交错并联Boost变换器的基础上增加耦合电感绕组和有源箝位辅助单元形成。耦合电感绕组的引入扩展了变换器的电压增益和减小了开关管的电压应力，因此减小了开关管导通损耗。耦合电感的漏感限制了输出二极管关断电流的下降率，抑止了二极管的反向恢复，大大减小了反向恢复电流引起的损耗。有源辅助开关和吸收电容组成的辅助电路吸收并无损的转移了漏感能量，消除了主开关管上的电压尖峰。在整个开关周期内，主管和辅助管都是零电压开关，大大减小了开关损耗。最后，设计了一台40V输入、380V输出的1kW试验样机。仿真和试验结果表明，所有的功率器件均为软开关工作，本电路特别适用于光伏发电系统中低电压输入、高电压输出的前段变换。     

A New High Step-Up DC/DC Converter Structure by Using Coupled Inductor with Reduced Switch-Voltage Stress

In this paper, a new high step-up DC/DC converter for renewable energy systems is proposed, which provides high voltage gain by using a coupled inductor without having to have high-duty cycle and high-turn ratio. Moreover, the voltage gain increased by using capacitors charging techniques. In the proposed converter, the energy of leakage inductors of the coupled inductor is recycled to the load. This feature not only reduces stress on main switch but also increases the converter efficiency. Also, due to the configuration of the proposed structure, the voltage stress on the main switch is significantly reduced. Since the stress is low in this topology, low voltage switch with small ON-state resistance value can be used to reduce the conduction losses. As a result, losses decrease and the efficiency increases. Meanwhile, the main switch is placed in series with the source and it can control the flow of energy from source to load. The operating principles and steady-state analysis of the proposed converter are discussed in details. Finally, the prototype circuit with 12 V input voltage, 300 V output voltage, and 60 W output power is operated to verify its performance.     

交错并联三绕组耦合电感高增益Boost变换器

针对光伏、燃料电池等新能源发电系统所需的高升压比的应用场景,提出一种交错并联三绕组耦合电感高增益Boost变换器。以交错并联的控制方式减小了耦合电感原边电流纹波,切分了占空比从而减少了各开关管导通时长,交错并联的开关管与输出开关管在电路结构上实现了电压钳位,不会出现电压尖峰。桥式倍压单元缓解了二极管反向恢复问题。交错并联耦合电感双原边的构造提高了变换器的工作可靠性。另外,基于该变换器还拓展出交错并联 绕组耦合电感高增益Boost变换器和n耦合电感交错并联n桥式倍压高增益Boost变换器。围绕所提变换器的工作原理及稳态性能进行了深入分析。且在理论分析的基础上通过实验平台制作了一台功率为500 W的样机验证了其准确性。     

Design and analysis of a high step-up single-switch coupled inductor DC-DC converter with low-voltage stress on components for PV power application

This paper presents a single-switch, high step-up, non-isolated DC-DC converter for photovoltaic (PV) power application. The proposed converter is composed of a coupled inductor, a passive clamp circuit, a voltage multiplier cell, and a voltage lift circuit. The passive clamp circuit recovers the leakage inductance energy of the coupled inductor and limits the voltage spike on the switch. Configuration of the passive clamp and voltage multiplier circuits increases the converter voltage gain. High-voltage gain without a large duty cycle, low turn ratio of the coupled inductor, low-voltage stress on the switch and diodes, leakage inductance energy recovery, and high efficiency are the main merits of the suggested DC-DC converter. Steady-state operation of the converter in continuous conduction mode (CCM), discontinuous conduction mode (DCM), and boundary condition mode (BCM) is discussed and analyzed in detail. Then, design procedure of the proposed converter is given. The presented DC-DC converter is compared with similar topologies to verify its advantages. Moreover, theoretical efficiency of the presented converter is calculated in details. Finally, simulation and experimental measurement results of 388 V-220 W prototype of the proposed DC-DC converter at 50-kHz switching frequency are presented to verify its performance.     

耦合电感二次型高增益Boost变换器

为解决二次型Boost变换器功率器件电压应力大以及耦合电感Boost变换器开关管电压尖峰高的问题,结合二次型Boost变换器和耦合电感Boost变换器的特点,提出一种耦合电感二次型高增益Boost变换器。该变换器能够吸收漏感能量,抑制开关管两端的电压尖峰,且能将漏感能量向负载传递,提高了变换器的工作效率;通过引入桥式倍压单元,在提高变换器电压增益的同时,可将耦合电感副边线圈两端的交流电压整流为直流电压,降低了输出二极管的电压应力;通过合理设计耦合电感的耦合系数,可实现功率开关管的零电流开关以及输出二极管的零电流关断,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,降低了变换器的成本。最后搭建了额定功率100 W的实验样机,实测额定功率下变换器的效率达到92%,实验结果验证了理论分析的正确性。     

基于倍压单元耦合电感高增益DC/DC变换器

提出一种基于倍压单元的新型DC/DC高增益变换器。在传统Boost变换器的基础上引入倍压单元,提高变换器电压增益,并把2个储能电感进行磁集成,减小变换器体积和电感电流纹波。分析了该变换器的工作原理以及工作模态,推导了输出电压增益公式、各二极管和开关管的电压应力以及电感电流纹波。与传统Boost变换器相比,电压增益提高了（3+D）倍,开关管应力电压减小明显,电感电流纹波减小一半。通过仿真和实验,验证了理论分析的正确性。     

一种混合耦合电感和开关电容的DC-DC升压变换器

为满足工业应用中高电压增益DC-DC变换器的要求,在基本boost变换器基础上,利用耦合电感和开关电容技术,研究了一种具有高电压变比的boost变换器。该变换器将耦合电感和电容混合连接,通过耦合电感对电容进行充电,提高升压变比,而且开关管和二极管等功率器件的电压应力能够得到有效降低,同时耦合电感漏感的能量可以回收和再利用,有利于提高变换器的效率。详细分析了该变换器的工作原理和稳态特性,最后通过搭建一个实验样机,验证了理论分析的正确性。     

一种基于辅助网络的软开关二次型Boost高增益变换器

在基于减少冗余功率(R~2P~2)原理的二次型Boost变换器基础上,通过引入辅助网络单元,提出一种基于辅助网络的软开关二次型Boost高增益变换器。该变换器在减少功率传输损耗的同时,实现了全部开关管的零电压导通(ZVS)和输出二极管的零电流关断(ZCS),降低了开关器件的开关损耗。辅助网络与二次型Boost变换器输出串联,提高了变换器电压增益,减小了开关管电压应力。因此,可选取低电压等级、低导通电阻的MOSFET管,进一步提高变换器的效率,降低成本。研究变换器的工作原理和工作特性,分析开关管ZVS条件和占空比丢失问题,设计了一台100W的实验样机,实验结果验证了理论分析的正确性。     

一种高增益Cuk变换器

为了提高传统Cuk变换器的电压增益和变换器工作效率、同时减小电流纹波和变换器的体积重量。提出一种适用于光伏发电系统的高增益Cuk变换器。利用带有自举电容的开关电感单元替代传统Cuk变换器中的输入电感,并对开关电感单元与输出电感进行了磁集成。分析了变换器的工作模态,推导得到了变换器电压增益表达式;分析了二极管与开关管电压应力的大小,给出了电感耦合度的设计准则。给出了高增益Cuk变换器集成磁件设计方案,并给出了设计方法。与传统Cuk变换器相比,高增益Cuk变换器的电压增益提高了2倍。仿真与样机实验结果验证了理论分析的正确性,表明提出的高增益Cuk变换器具有优良的综合性能。     

用于混合动力汽车的三电平双向DC/DC变换器

将三电平技术应用到双向DC／DC装置中，可以提高混合动力汽车驱动系统中双向DC／DC装置的开关频率，为此提出了一种新的三电平双向DC／DC变换器拓扑。通过三电平拓扑和传统两电平拓扑电路的对比分析,得出了相同先决条件下这两种拓扑中开关管电压应力和电感电流可减小的幅度。最后通过仿真试验验证了分析结果。     

一种新颖采用磁集成技术大功率组合式高增益Boost变流器研究

为满足规模化储能系统及直流母线型分布式发电系统对大功率、高增益、高效率和高功率密度直流升压变换器的要求,提出了一种适用于大功率应用场合的组合式双输入高增益磁集成Boost变流器,并研究了该拓扑组合复用和控制策略。首先详细介绍了所提出的新型变流器的电路结构、工作模态和电气性能,推演出变流器电压增益、开关管应力及电感电流纹波特性,并分别讨论了组合拓扑的交叉控制和互补控制策略,通过与传统双输入Boost变流器的电压增益对比,该拓扑在两种控制模式下均具备更大电压增益和更小的电流纹波;其次推导了静态等效电感和暂态等效电感,以及耦合电感下稳态电流纹波和暂态电流响应速度的关系,给出耦合电感设计准则;最后制作实验样机进行测试,结果证明了理论分析的正确性。新拓扑较之传统高增益大功率升压变流器具备高增益、高功率密度、低应力和低纹波的优势,具备极大的研究价值和实用潜力。