高电压增益混合型DC-DC变换器研究

随着分布式发电的出现,对高增益DC-DC变换器的要求越来越高。为了获得更高的电压增益,提出一种光伏发电用混合型高电压增益非隔离单开关DC-DC变换器。该变换器将传统的Boost和Cuk变换器并联,详细讨论了其拓扑结构、工作原理以及电路参数设计,实现了基于Matlab/Simulink的仿真研究和基于单片机的150 W实验样机。仿真研究和实验结果与理论分析吻合较好,验证了理论分析的正确性以及混合型DC-DC变换器拓扑结构的有效性。所提混合型拓扑使用元件数较少的单一功率开关,并能提供比非隔离式传统变换器更高的电压增益。该拓扑在单功率开关作用下可提供连续电流的工作模式,而且降低了功率开关和二极管的电压应力。     

一种差动型高增益DC-DC变换器分析与设计

针对传统DC-DC变换器电压增益低、开关管电压应力较高、输入电流和输出电压纹波较大等问题,提出一种由两个多电平升压变换器差动连接而成的DC-DC变换器。首先,详细分析了所提变换器的拓扑结构、工作状态以及电路参数设计。理论分析结果表明,在占空比为0.5时,该新型变换器输入电流和输出电压的纹波相互抵消,具有明显的纹波抑制功能。同时,当电容器以互补开关方式运行时,电容器纹波的减少降低了电容器的尺寸。此外,该新型变换器无需添加额外的开关管,驱动及控制电路设计简单。然后,对所提变换器与其他类似变换器在电压增益、元件器数量以及半导体器件的电压应力等方面进行了对比分析,进一步说明了所提变换器的优越性能。最后,通过仿真研究和样机实验验证了理论分析的正确性,以及所提拓扑结构在降低元器件电压应力、提高电压增益方面的有效性。     

基于开关电容的高电压增益DC/DC变换器研究

高电压增益DC/DC变换器正越来越多地应用于太阳能光伏或其他可再生能源发电系统。良好的稳态和动态性能,以及更高的效率,是上述应用选取变换器的先决条件。为此,这里提出一种基于开关电容技术的高电压增益DC/DC变换器。首先,详细阐述了基于开关电容的高电压增益DC/DC变换器的拓扑结构与工作原理;然后,在此基础上,对其电路参数进行了设计;最后,制作了试验样机对其进行试验验证。试验结果表明,所提变换器拓扑结构简单,在占空比较小的情况能够获得高电压增益,且对半导体元件的电压应力低。此外,该变换器的电感与输入电源串联,因此可以实现连续的输入电流。     

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。     

非隔离新型高增益DC-DC升压变换器

针对光伏发电系统中光伏电池板输出电压低,而要求其并网逆变器前端直流母线输入电压高的特点,提出了一种非隔离型高增益DC-DC升压变换器。对其工作原理和性能特点进行了详细的理论分析。并制作了一台输出功率为200 W的实验样机,实验结果表明该变换器具有如下特点:在相同占空比的条件下,变换器具有2倍于传统Boost拓扑结构的电压增益;变换器中两有源开关管的电压应力为传统Boost电路中有源开关管电压应力的一半;变换器中两电感电流一直相等而无需任何均流控制,外加两有源开关管采用同步控制,控制策略简单。     

一种适于光伏电池发电的高增益DC-DC变换器

针对光伏电池微型电源低输入高输出的特点,基于传统的交错并联Boost变换器,提出一种新型高增益DC-DC变换器。该变换器在开关周期内既可提高升压比,也可降低开关功率器件的电压应力,同时减少输入电流纹波,有利于开关器件的选择,降低电路的损耗。详细分析了所提电路的工作原理,建立了变换器的数学模型进行了稳态分析,最后通过Simulink仿真验证理论分析的正确性和可行性。     

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。     

基于SEPIC的新型高增益DC-DC变换器及衍生拓扑分析

针对光伏并网系统中单开关升压变换器（如SEPIC、Boost、准Z源、二次型）电压增益低和半导体器件电压应力大的问题,提出1种基于SEPIC的外部升压型高增益DC-DC变换器。首先对所提变换器在电感电流连续导通模式和断续导通模式下的工作原理和稳态特性进行详细分析,并与其他新型拓扑进行性能对比。在此基础上,给出了基于外部升压网络的衍生拓扑。最后,通过搭建1台400 V/200 W的实验样机证明了理论分析的准确性。所提变换器利用阻抗网络和开关电容单元构成的外部升压网络提升了SEPIC变换器的电压增益,并改善了半导体器件电压应力大的缺点。     

一种新型高电压增益DC-DC变换器研究

随着分布式发电的出现,可再生能源与电池组的结合以及负荷对其的严重依赖,对高效电力电子变换器的需求日益增加。提出一种降低电压应力的高增益DC-DC变换器的新颖结构。该结构是传统Boost变换器两级叠加的结果。当占空比较低时,因为增益与占空比的二次关系,所提供的电压增益很高。此外,该变换器的输入电流连续,所提供的负载接地。详细介绍了所提变换器的拓扑结构和工作模式,分析了电感的等效串联电阻对电压增益的影响。并对已有的高增益变换器和所提新型的高电压增益变换器进行了比较分析。最后通过仿真研究验证了所提拓扑结构的正确性。     

一种高增益双向准Y源DC-DC变换器

针对传统双向DC-DC变换器电压增益小、传输效率低等问题,提出了一种改进型高增益双向准Y源DC-DC变换器电路拓扑,通过调节双向功率开关管的导通占空比和耦合电感的匝数比,实现功率双向传输的目的。电路拓扑结构简单,传输效率高,具有连续的输入电流,绕组匝数比设计灵活,进一步提高了电压增益,调压范围更宽。首先对电路的拓扑结构和工作原理进行了分析,并通过数学公式推导证明了其正、反向2种工作状态下的升/降压性能;然后用Matlab/Simulink软件进行了仿真分析;最后搭建实验样机进行验证,仿真和实验结果均证实了电路拓扑的可靠性和优越性。     

一种改进二次型高增益Boost-Sepic变换器

高增益DC-DC变换器是可再生能源发电实现高压并网的一个重要环节。提出一种改进二次型高增益Boost-Sepic变换器,既实现在较小占空比的情况下得到较高的电压增益,又降低功率MOS管与二极管的电压应力,同时还具有输入电流连续的优点;且由于二次型Boost变换器与改进Sepic升压变换器的集成,共用一个功率MOS管,变换器的主电路与控制电路均变得简单。对该变换器的工作原理和工作过程进行详细的论述,对变换器增益、功率器件、电容电压应力进行分析,并与目前常用的高增益DC-DC变换器进行对比研究。最后,在理论分析基础上,搭建了一台100 W实验样机进行实验研究,实验结论与理论分析结果一致。     

多绕组同时供电直流变换器型多输入逆变器

提出多绕组同时供电直流变换器型多输入逆变器电路结构与拓扑族及其主从功率能量管理移相控制策略,对其控制策略、稳态原理特性和主要电路参数设计准则等关键技术进行深入分析研究,获得重要结论。该电路结构是由Boost型多绕组直流变换器和Buck型逆变器两级级联而成,主从功率能量管理是指第1,2,…,n-1路输入源输出最大功率,第n路输入源补足负载所需的功率。1 000V·A DC-AC全桥式多输入逆变器的仿真和实验结果表明,该变换器具有高频电气隔离、电压匹配能力强、功率密度高、多路输入源可同时向负载供电、占空比调节范围宽、多模态平滑切换等优点。     

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.     

A digital soft-start circuit for buck DC-DC converter

In this paper, a soft-start circuit is present to prevent the large surge current and overshoot voltage to improve the reliability of the DC-DC converter. The proposed structure generates the step-shaped soft-start voltage through 7 bits DAC. Combining with the PWM comparator, the soft-start circuit controls the system duty cycle directly. The mechanism of the soft-start acts as the high clamp function, which eliminates the need of the clamp circuit. A DC-DC buck converter with the proposed soft-start circuit is based on a 0.4 μm BCD process for verification Hspice simulation shows that under the condition with 3.6 V input voltage, 1.8 V output voltage and 600 mA load current, the soft-start is achieved. After 1.2 ms of the soft-start time, the operation turns to stable.     

基于耦合电感的新型高增益软开关直流变换器

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。     

一种单输入双输出高增益DC-DC变换器

随着分布式发电在中低压场合的应用越来越广泛,对高增益直流变换器的需求日益增加。提出一种新型单输入双输出高增益DC-DC变换器。该变换器在传统Boost电路基础上引入电容和二极管组成极性反向极,功率端口通过差分连接方式互联,提高了变换器电压增益,降低了开关管电压应力;同时端口功率控制彼此独立,进一步提高了电能路由的灵活性。详细分析了该变换器的电路结构和工作原理,推导出稳态特性下的电压增益、主要开关器件电气应力以及电流纹波等表达式。在此基础上,提出了基于矢量时间作用的模型预测控制策略,建立了该变换器预测模型、推导出开关管矢量时间以及设计了目标函数寻优过程。最后,通过仿真和实验验证了所提变换器及其控制策略不仅可行、有效,而且具有高运行效率与低电压应力。     

耦合电感单级升压逆变器

传统的两级式升压变换器通常由Boost变换器作为前级,以提升输入电压至合适的母线电压,防止输入电压较低时无法输出所需的交流电压。当升压比要求很高时,Boost变换器的占空比就会接近极限,过大的占空比会恶化Boost变换器的二极管反向恢复问题,增加开关管的开关损耗,降低效率。提出一种新型单级升压逆变器,在典型三相桥前加入包括耦合电感在内的无源网络,通过对耦合电感的设计和逆变桥直通时间的控制,可以使逆变器在直流输入电压较低时仍实现中间母线电压幅值的较大提升,输出稳定的交流电压。理论分析和实验结果表明该单级升压逆变器具有良好的性能。