具有软开关特性的串联电容型高频高增益双向DC-DC变换器

本文提出了一种具有软开关特性的串联电容型高频高增益双向DC-DC变换器。在传统的基于耦合电感的升降压电路的基础上,引入了一个电容和一个开关管,有效提升了变换器增益。同时构造了基于串联电容谐振回路,为开关器件的软开关创造条件。并且为了减少振荡和无源器件的体积,可将耦合电感的漏感作为谐振电感,从而减少了无源元件数目,在高频工作条件下可实现高功率密度和高效率。本文详细介绍了该变换器的工作原理和参数设计方法,并搭建了一台48V/5V、50W、750kHz的实验样机,相关结果证明所提拓扑及设计方法的正确性。     

一种高效率高增益的谐振型直流功率变换器

提出一种高效率高增益的谐振型直流功率变换器。该电路利用耦合电感、开关电容电路及输出串联结构实现高电压增益。耦合电感中的漏感能量由输出端回收,利于提升效率,降低开关管的电压应力。同时借助漏感和开关电容谐振,次级二极管的零电流开关得以实现,从而减小反向恢复的影响。详细分析了高效率高增益谐振型直流功率变换器的工作原理,及连续导通模式下变换器的稳态性能,并借助一台35 V输入、200 V/0.75 A输出的实验样机验证了理论分析的正确性。     

一种低输入电流纹波高增益软开关DC-DC变换器

针对新能源发电系统输出电压低、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。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。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。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。详细分析了变换器的拓扑结构与工作原理，并对电压增益、器件电压电流应力、软开关等电路性能进行了分析。最后，搭建了一台40 V输入、400 V输出、额定功率为160 W的试验样机，实验验证了该变换器具有低输入电流纹波、高电压增益、高变换效率和低电压应力等优点。     

软开关高增益Buck-Boost集成CLLC型直流双向变换器

研究一种Buck-Boost集成CLLC直流双向变换器,适用于输入输出共地且宽输入电压范围场合应用。直流双向变换器通过Buck-Boost与CLLC电路原边集成、CLLC副边母线电容叠加到原边母线电容上实现高增益。半桥CLLC电路与Buck-Boost电路集成,通过定频PWM同步控制;有助于开关管在较宽输入电压和负载范围实现软开关、高功率密度。该文分析了变换器的拓扑结构及工作模式,理论推导出变压器匝比取n_1:n_2=1:1即可获得高增益,减小了高频谐振变压器的体积和原边的谐振电流。此外,研究Buck-Boost电感L_b对变换器的软开关特性影响,给出了软开关实现的工作条件。搭建了一台低压侧适用电压20~80V、高压侧适用电压100~400V,双向功率600W的实验样机,实验结果验证了理论分析的正确性及方案的可行性。     

一种零输入电流纹波高增益DC-DC变换器

提出一种零输入电流纹波高增益DC-DC变换器。该变换器有两个耦合电感:一个耦合电感与电感电容组合再并入输入侧,消除了输入电流纹波,且零纹波条件与占空比无关;另外一个耦合电感实现了拓扑的高增益功能,在其二次侧加入倍压电路,电压增益得到进一步增大,由于漏感的作用,二极管的反向恢复损耗几乎为零,进而可提高变换器效率。该变换器的两个有源开关互补导通,在实现零电压开通的同时,降低了谐振产生的电压尖峰,可选择低耐压开关管来提高变换器效率。最后通过一台250W的实验样机来验证该变换器的零输入电流特性和高增益高效率特性。     

改进型三态开关交错并联高增益DC/DC变换器

研究了一种改进型三态开关高电压增益变换器。在输入并联-输出串联交错控制变换器基础上,将耦合电感初级引入变换器输入端,有效抑制输入电流纹波,实现输入电流自动均流的效果;两个耦合电感的次级与电容、电感构成电压倍增单元串联接入输出端,进一步提升变换器电压增益。该拓扑结构中两个串联的输出电容,既能回收再利用耦合电感的漏感能量,又能箝位开关管的漏源电压,减小开关管的电压应力,有利于选取低电压等级、低导通阻抗的开关器件,有助于减小功率管的导通与关断损耗。通过合理的漏感设计有效抑制了二极管的反向恢复问题,实现开关管零电流开关(ZCS)导通降低开关损耗。详细分析了所提变换器的工作原理与稳态工作特性,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。     

一种基于耦合电感的高增益软开关谐振变换器

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。     

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。     

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.     

一种输出并联型CLTCL多谐振软开关直流变换器

提出一种输出并联型CLTCL多谐振软开关直流变换器拓扑,采用双变压器结构且高频变压器二次侧并联,谐振腔内包含多个电容、电感谐振元件。通过合理参数设计,变换器在额定工况下能够同时传递基波和3次谐波有功功率,提高谐振电流利用率,保证较高效率变换,在狭窄的频率范围内实现直流电压增益宽范围可调。功率开关管具有零电压开通(ZVS),二极管同时实现开通、关断过程的零电流软开关(ZCS)或近似零电流,开关损耗得到抑制。双高频变压器的漏感均被相应串联谐振电感吸收,参与谐振过程,寄生参数给电路带来的不利影响被成功削弱。本文基于一台500W的样机进行实验验证,结果表明变换器能够在较宽的负载范围内获得接近95%的较高效率,最高效率点为95.4%;在额定点附近20%的频率范围内实现电压增益从半额定值至额定值可调的有益效果。     

高增益对称双向LCLC谐振变换器的研究

为了解决双向DC-DC变换器输入、输出电压范围过窄的问题,该文提出一种高增益对称双向LCLC谐振变换器。提出的谐振变换器不是利用变压器的励磁电感参与谐振,而是在变压器的一次侧并联一个LC支路代替变压器励磁电感的作用,使得变换器在电感比较大的情况下仍有较高的增益,兼顾了LLC型谐振变换器在谐振点的高效率和宽的增益范围,且能保证一次侧和二次侧的软开关特性,实现谐振变换器的对称双向运行。该文基于基波分析法建立基波等效模型,推导出变换器的增益公式,分析谐振参数对直流增益特性的影响。最后搭建一台100～200V/24～48V、500W的实验样机,实验结果验证了理论分析的正确性和所提出拓扑结构的可行性及有效性,样机的最大效率达到96.3%。     

高增益耦合电感组合Buck-Boost-Zeta变换器

为了提升Zeta变换器的电压增益和效率,减小开关管的电压应力,将Buck-Boost变换器与Zeta变换器进行组合并引入耦合电感倍压结构,提出耦合电感组合Buck-Boost-Zeta变换器,该变换器在提升电压增益的同时保留了Zeta变换器输出电流连续的特点,将变换器中二极管–电容支路作为无源钳位吸收回路用来吸收漏感能量,有效抑制了开关管寄生电容与漏感谐振产生的电压尖峰,进一步提升了变换器的电压增益和效率,降低了开关管电压应力。分析工作在CCM与DCM模式下的工作原理,给出各项性能参数。将文中所提变换器与其他耦合电感Zeta变换器的各项性能进行比较,给出Buck-Boost-Zeta变换器的拓展结构。最后,通过搭建一台150W实验样机,验证理论分析的正确性。     

隔离型三绕组耦合电感交错式DC/DC变换器

讨论了四种隔离型交错式DC/DC变换器结构的特点,并在交错式Flyback变换器的基础上,引入三绕组耦合电感概念,实现了Flyback型变换器到Boost型或Buck型变换器的转换.然后,在三绕组耦合电感演绎出的一次侧并联/二次侧串联Flyback-Boost变换器上,采用有源钳位软开关电路,不仅实现了主开关管和辅助开关管的零电压软开关特性,而且只需要一组钳位软开关电路就无损地吸收了两相交错电路的漏感能量、抑制了主开关管的关断电压尖峰.三绕组耦合电感的漏感限制了输出二极管关断电流的下降速率,有效地抑制了二极管的反向恢复电流.最后,设计了一台40V输入、760V输出1kW的三绕组耦合电感实现的一次侧并联/二次侧串联交错式有源钳位软开关Flyback-Boost变换器的试验样机.实验结果验证了理论分析的正确性.     

一种次级LC谐振变换器的建模与参数设计

提出一种LC谐振型推挽直流变换器拓扑。初级采用桥型推挽结构,次级采用倍压结构,主要利用变压器漏感和倍压电容构成的LC谐振来传递能量。该变换器能实现初级开关管和次级二极管的零电流开关,有效抑制开关管的最高承受电压。针对电路输入输出特性,采用基波分析法建立相应的电压增益模型,反映谐振品质因数、漏感系数及频率比对电压增益的影响。根据电压增益模型设计了一款22~28 V输入/360 V输出/额定负载650 W的样机的电路参数,实验验证了电路的可行性和电压增益模型的有效性。     

一种带三绕组耦合电感的级联型高增益功率变换器

提出一种带三绕组耦合电感的级联型高增益功率变换器。采用三绕组耦合电感、开关电容技术和级联结构,该变换器可实现更高电压增益。变换器的输入电感可有效降低输入电流纹波,从而减小输入电源应力。此外,耦合电感的漏感能量由输出端回收利用,提升效率的同时,能够抑制开关管的电压尖峰,降低其电压应力。详细分析带三绕组耦合电感的级联型高增益功率变换器的工作原理,以及连续导通模式下变换器的稳态性能。最后搭建一台30V输入、380V/0.3A输出的实验样机,实验结果验证了理论分析的正确性。     

采用开关电容/开关电感的多电平逆变器拓扑研究综述

多电平逆变器具有器件应力小、谐波含量少、等效开关频率低等优点,广泛应用于中高压大容量电能变换场合。该文对采用开关电容/开关电感的多电平逆变器进行分析总结,为构造具有器件数量少、电容电压/电感电流自平衡等特点的高性能多电平逆变器提供思路。文章首先介绍开关电容、开关电感基本单元的构成形式和工作原理,分别从直流侧和交流侧举出开关电容/电感与多电平结合的例子。根据电容/电感、串联/并联等对偶性,从可充当独立电压源的开关电容基本单元出发给出可充当独立电流源的开关电感基本单元,实现了对现有电流源型拓扑的优化。最后给出替代组合、对偶推广等构造新多电平拓扑的方法,并指出开关电容/电感谐振单元实现谐振软开关的思路。     

输入串联输出串联高增益Boost变换器

提出一种新颖的输入串联输出串联高增益Boost变换器,对其工作原理和性能特点进行详细分析。该拓扑是由两个完全一致的高增益子拓扑经过输入端串联输出端串联构成的。由于升压储能电容Cf1、Cf2的存在,使得新拓扑不仅具有较高的电压增益,而且当占空比大于或等于0.5时,还实现了电感电流的自动均流。与传统两相交错并联Boost变换器相比,新拓扑的双串联结构使得电感电流纹波、输入电流纹波、开关器件的电压应力得到降低。因此,新拓扑非常适合应用于低压输入、高压输出的场合(如燃料电池并网发电系统)。最后,通过实验验证了理论分析的正确性。     

基于双向零电流开关的分布式储能变换器研究

为提高电池利用率及安全性,分布式储能系统采用高频隔离储能变换器实现低压电池模组到高压直流母线的能量双向传输.为使储能变换器在正反两个方向下均具有较高效率,低压大电流一侧在双向运行时可采用零电流开通和零电流关断,以实现零开关损耗.在分析传统双向全桥DC/DC变换器和LLC谐振变换器存在问题的基础上,提出了一种双向零电流开关储能变换器,通过采用非对称占空比控制,可以实现低压侧在正反向时均具有零电流开关特性,有效减小开关损耗,提高变换器的双向运行效率.分析了变换器的功率传输及电压增益特性,推导了软开关实现条件,并对拓扑结构进行改进以改善电流波形,进一步减小损耗.最后通过仿真和实验验证了拓扑结构及双向零电流开关控制方式的有效性.     

高效率高增益Boost-Flyback直流变换器

提出一种基于Boost拓扑与反激拓扑有机组合思想的Boost-Flyback变换器,Boost环节与反激环节共用输入支路,使电感一变压器的漏感能量得以利用,消除了漏感损耗,并实现了开关管电压钳位,减小了开关管电压应力;Boost与反激环节的输出支路串联,实现了高电压增益;Boost-Flybaek变换器输入并联输出串联,进一步提高了变换器的电压增益,同时减小了输入输出电压及电流纹波。提出新拓扑的DCM-ZVS工作模式控制方法,并在开环方式下实现了输出功率的控制。详细分析拓扑的工作原理、电压增益特性及控制方法。通过230W30V／380V的实验样机验证理论分析的有效性。