非隔离型高增益DC/DC变换器综述北大核心

在光伏发电、燃料电池发电等新能源发电系统中通常采用高增益DC-DC变换器拓扑电路结构,近年来国内外专家学者从不同角度分别提出了不同的拓扑电路及其控制策略。对非隔离型拓扑电路研究现状,从变换器基本的构成原理出发,将非隔离型高增益变换器分成了二端口级联型、三电平型、带开关电容型、三端口交错并联型与耦合电感型五大类型,并分别从拓扑架构与变换器电压增益及开关应力等性能方面进行了详细的对比介绍,对五类非隔离型变换器进行了全面的综述,对比了各自的优缺点,对新能源发电系统中的拓扑电路结构将起到一定的指导作用。     

光伏发电系统高增益DC/DC变换器的研究

介绍了多种应用于光伏发电系统的前级DC/DC电路拓扑的优缺点,总结了DC/DC变换器应用于光伏发电系统中出现的新技术。提出了4种软开关高性能、高增益DC/DC非隔离及隔离型变换器的基本思想,以实现所有功率开关管的软开关。     

新型二次型高增益DC/DC变换器及特性研究

新能源发电系统普遍存在输出电压较低的问题,一定程度上限制了新能源的发展,因此研究一款高升压比的DC/DC变换器具有重要意义。为提高DC/DC Boost变换器的电压增益,在传统二次型变换器的基础上引入开关电容和开关电感技术,提出一种新型二次型高增益Boost变换器。详细阐述了新型变换器的拓扑结构和工作原理;获得了变换器的电压增益以及各个器件的电压应力,并与其他的高增益DC/DC变换器进行对比分析;最后采用SiC器件制作了一台实验样机,验证了理论分析的正确性。结果表明,提出的变换器具有高升压比、低器件应力等优点,实现了电压增益与器件应力的良好平衡,适用于新能源系统。     

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。     

适用于新能源发电系统的三端口DC/DC变换器研究

三端口变换器在新能源发电系统中发挥着越来越重要的作用,能够将电压源或电流源、储能元件和负载同时连接起来,并对能量流动进行统一管理。然而现有的三端口拓扑通常存在很多问题,例如没有储能环节充电的回路、电路结构过于复杂和输出效率低等。对一种新型的三端口DC/DC变换器进行了研究,给出了不同端口电压与开关频率下的13种控制模式,并利用数字控制的手段完成复杂的控制策略,从而实现宽范围的电源调整率与多端口间能量的自由流动。之后通过对占空比平面的优化,使模式切换过程变得更加稳定和平滑。最后搭建三端口电源变换器系统平台,利用实验对控制策略的灵活性和系统的稳定性进行验证。     

一种非隔离改进二次型Boost高增益DC-DC变换器

为克服二次型Boost变换器升压能力受限、开关应力大等问题,提出一种非隔离改进二次型Boost高增益DC-DC变换器。所提出的变换器具有两种拓扑结构。对两种拓扑结构的工作原理进行了分析,从理论上推导了电路拓扑的电压增益和开关应力,并与现有变换器进行比较。提出的变换器在提高输出增益的同时,还能降低开关应力、提高转换效率。在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型,仿真结果验证了理论计算的正确性。搭建了样机,通过理论推导和样机试验结果的对比分析,验证了该变换器设计方案的可行性。     

副边调整式三端口半桥DC-DC变换器

在包含储能环节的独立新能源发电系统中,采用三端口变换器代替多个独立的变换器具有效率高、功率密度高、可靠性高和体积成本低等优点。分析三个端口之间的功率关系,发现了半桥变换器的原边电路寄生双向Buck/Boost拓扑,据此提出基于半桥式拓扑的隔离式三端口变换器拓扑生成思想;给出副边调整式和原边调整式两类三端口半桥变换器拓扑。以其中的副边调整式三端口半桥变换器拓扑为例,分析变换器的工作原理并进行实验验证,实验结果验证了所提出拓扑和理论分析的正确性。     

一种耦合电感高增益双管升压变换器

与隔离型拓扑相比,非隔离型拓扑结构简单且实现成本较低;相对于传统Boost变换器,双管结构升压变换器开关管电压/电流应力较低,开关管的导通损耗小,电压增益更高。提出一种耦合电感高增益双管升压变换器,该变换器具有电压增益大及开关管电压/电流应力低的特点。给出变换器的主要工作波形,详细地推导变换器的稳态工作原理,给出理想情况下变换器的电压增益并分析漏感对电压增益的影响,与常见的高增益DC/DC变换器进行性能对比,最后根据所提出的电路拓扑以及参数设计指标,设计并制作一台200 W原理样机。实验结果证实了理论分析的正确性。     

一种非隔离型高增益三端口DC-DC变换器

针对光伏储能联合供电系统输出电压低、供电可靠性差等问题，提出了一种具备多种工作模式的非隔离型高增益三端口DC-DC变换器。变换器的3个端口共地，分别连接光伏发电单元、储能单元和负载，通过改进二次型结构提升电压增益，并降低开关器件应力。变换器具有5种工作模式，可满足离网光储发电系统的各种工况需求。此外，变换器对光伏端口和储能端口之间没有电压约束，能够适应更多的应用场合。详细分析了变换器在各工作模式下的工作原理和稳态特性，并与现有同类变换器进行了工作特性对比。根据光伏储能联合供电系统的控制要求和变换器在不同工况下的功率流动情况，研究了相应的模式运行与切换控制策略。最后，搭建了一台300 W的实验样机进行验证。     

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。     

宽增益高效谐振型直流变换器技术

直流变换器广泛应用于电动汽车充电系统与光伏发电系统,如何适应输入/输出电压大范围变化,实现直流变换器的宽增益和高传输效率为学术界和工业界所关注。其中,LLC、LLC_LC、LLCLC谐振变换器虽具有高功率密度、低电磁干扰等特性,但存在磁元件与谐振网络参数设计难度大,造成变换器输出不稳定等不足,难以满足实际应用的要求。为此,提出了宽增益高效谐振型直流变换器技术。首先总结了谐振型直流变换器的基本原理,围绕其拓扑结构及调制策略的国内外研究进展,重点就宽增益与高效谐振型直流变换器应用需求进行阐述。然后分析了LLC_LC、LLCLC多模式PWM倍压整流变换器拓扑及调制策略。最后结合仿真与实验验证结果,证明了该宽增益高效谐振型直流变换器拓扑及其调制策略的有效性,最高可实现输出电压范围为1~6.2,转换效率达96.1%,具有较宽广的应用前景。     

一种输入电流连续的新型高增益DC-DC升压变换器

高增益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,是为上述应用选取变换器的先决条件。为此,提出一种高增益DC-DC升压变换器。首先,详细阐述了该新型变换器的拓扑结构与工作原理,在此基础上,对其电路参数进行了设计。然后,将所提变换器与最近提出的其他类似变换器在各种性能参数上进行了比较。最后,采用Matlab软件建立了系统仿真模型,并研制了实验样机。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。所提变换器只使用一个功率开关,具有连续的输入电流,同时能够降低开关器件间的电压应力。占空比的工作范围更宽,并且在较低的占空比下可以获得较高的电压增益。输入电流连续是DC-DC变换器的一个理想特性,所提变换器非常适合太阳能、光伏应用。     

基于旋转电容的直流电网软开关DC-DC变换器设计

作为连接不同电压等级直流母线的关键设备之一,DC-DC变换器转换效率的提高对于建立直流电网有重要意义。为了降低大功率软开关DC-DC变换器的体积和质量,基于旋转电容构造了一种能够实现功率器件零电流关断的非隔离型双向DC/DC变换器。介绍了变换器的电路拓扑结构;分析了不同模式下的稳态工作过程;设计了器件的具体参数及控制方案并研究了变换器的损耗特性;最后,在Matlab/Simulink中搭载仿真模型,验证了设计方案和控制策略的正确性。结果表明,所设计的变换器能够实现开关管和二极管的零电流关断,具有较高的转换效率。     

P-type non-isolated boost DC-DC converter with high voltage gain and extensibility for DC microgrid applications

In this paper, the concept of converter design, using the least number of elements and achieving high voltage gain at the low duty cycle, is proposed for the microgrids. One of the important issues in the microgrids is boosting the low voltage output of sources to the utility voltage level. Therefore, the step-up DC-DC converters are widely used in these systems to attain the utility voltage. The benchmarking of the converters mainly in terms of the voltage gain, efficiency, the number of active and passive components, stresses on semiconductors, and simplicity is considered. In this paper, a new extendable non-isolated boost DC-DC converter is presented. Comparing the conventional boost converter, the basic structure of the proposed converter has a high voltage gain and reduced stress on the switch. To increase the voltage gain, the basic structure of the proposed converter can be easily extended. The modulation technique employed is high-frequency pulse-width modulation (PWM). The detailed analysis of the proposed converter in continuous current mode (CCM) and discontinuous current mode (DCM) is presented. The relations between currents and voltages and the voltage gain in CCM and DCM are obtained. Experimental results are carried out to verify theoretical concepts by using the hardware prototype.     

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。     

基于扩展状态平均法的隔离型多端口移相全桥双向直流变换器建模研究

建立了一种用于混合储能系统的隔离型多端口双向直流变换器的数学模型。通过星-网变换建立了移相控制下直流变换器多端口网型等效电路,通过扩展状态平均法建立了N端口变换器在电感电流连续时的状态平均模型和小信号模型,并分析了各端口之间传输的功率。仿真比较了不同端口数下变换器的模型输出和拓扑输出,并以三端口变换器为例,分析了移相比扰动下的模型和拓扑电路的动态响应。结果表明,提出的多端口直流变换器的数学模型能够准确反映移相控制下多端口变换器的稳态性能和动态性能,且对于不同端口数量的直流变换器具有普遍适用性。     

无缓冲单元的多输入直流变换器电路拓扑

在采用两个甚至多个输入源的新能源联合供电系统中,用单个多输入直流变换器MIC代替原有的多个单输入直流变换器,可以简化电路结构,降低系统成本.MIC可分为无缓冲单元和带缓冲单元的两类,文中讨论了无缓冲单元的MIC电路拓扑的生成方法.首先给出构成无缓冲单元的MIC电路拓扑的基本单元,提出生成MIC时基本单元之间的组合级联规则,由此推导出一系列无缓冲单元的MIC电路拓扑.