[發明專利]基于開關電容和耦合電感的高電壓增益雙向DC-DC變換器

無效

• 申請號: 201410477603.0
• 申請日: 2014-09-18
• 公開（公告）號: CN104218798A
• 公開（公告）日: 2014-12-17
• 發明（設計）人: 王議鋒;薛利坤;王成山;王萍
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H02M3/155
• 分類號: H02M3/155
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李麗萍

技術領域

本發明涉及高電壓增益和雙向直流-直流變換器技術領域，是一種新型的具有電路結構簡單、開關器件電壓/電流應力低、較高效率、可以實現升壓比靈活拓展的電路。

背景技術

隨著傳統化石能源(如石油、煤炭、天然氣等)的迅速消耗，以及由此帶來的世界能源危機和環境污染等問題的日益加劇，合理開發和利用綠色可再生能源已成為人類的迫切需要。隨著傳統化石能源(如石油、煤炭、天然氣等)的迅速消耗，以及由此帶來的世界能源危機和環境污染等問題的日益加劇，合理開發和利用綠色可再生能源已成為人類的迫切需要。對于可再生能源而言，太陽能光伏發電、風力發電和燃料電池動力系統受到了人們越來越多的重視，而如何將這些新能源并網發電，變換為用戶可以直接利用的電能，是分布式發電領域主要的研究方向。儲能裝置在分布式可再生能源并網發電系統中扮演至關重要的角色，為了解決儲能裝置并聯時的低電壓和并網所需高電壓之間的電壓水平不匹配問題，需要用到高電壓增益型雙向DC-DC儲能變換器。

正是上述需求使得高電壓增益、高效率及較大功率雙向DC-DC變換器研究工作變得緊迫，并具有重要的工業實用價值。近年來，國內外的許多學者和專家就如何實現高增益、高效率、較大功率的能量變換，在隔離型和非隔離型DC-DC變換器領域進行了大量的研究工作，并取得了一定的研究成果。其主要的相關研究成果分別敘述如下：

傳統的高電壓增益電路拓撲主要包括高頻隔離拓撲，開關電容或開關電感拓撲，耦合電感拓撲和基于電容-二極管的倍壓拓撲等。其中，有研究針對隔離型雙向DC-DC變換器的結構特點分別提出了一種新型零電壓開關雙向DC-DC變換器和單端正激帶同步整流技術的雙向DC-DC變換器，此類隔離型雙向DC-DC變換器由于拓撲結構中變壓器的存在，雖然能夠實現大變換比的功能，但其體積和成本較大，且易出現磁飽和現象，因而在一些儲能系統中并不適用；針對非隔離拓撲，有研究提出了一種非隔離雙向直流變換器，該電路在引入了一個耦合電感后，消除了開關器件寄生體二極管的反向恢復問題，但該變換器并沒有解決輸入/輸出電流紋波大的問題。同時，在非隔離變換器拓撲中，開關電容變換器由于具有重量輕、功率密度高等優點而被廣泛采用。然而，開關電容充/放電過程中各功率器件上存在較大的電流沖擊，為了解決這個問題，研究人員提出了一類升壓型開關電容諧振變換器，后來又提出了一種基于開關電容的雙向諧振變換器。上述方案，可以實現高電壓增益和零電流軟開關，但是，極大的輸入電流紋波，使得這些拓撲僅適用于小功率應用場合。

近年來，低壓、大功率電源系統的廣泛使用使得交錯并聯技術得到了快速的發展。交錯并聯技術因其具有低電流紋波、易于電磁干擾設計、動態響應快等特點而常被應用于一些電流較大的場合。目前已有較多研究在燃料電池和電動汽車等不同領域應用了交錯并聯技術，其主要原因是因為交錯并聯技術應用于雙向DC-DC變換器中不僅可以有效地降低變換器開關器件的開關電流應力與輸入/輸出電流的紋波，還有益于提高變換器的動態響應及變換器的效率。從諸多文獻來看，傳統的交錯并聯結構雙向DC-DC變換器雖然具有結構簡單，可靠性高等特點，但該電路存在以下缺點：

①開關器件電壓應力為高壓側電壓V_H，當V_H較高時不利于開關器件的選取；

②各模塊電感電流不能自動均流，需進行均流處理；

③在一些輸入輸出電壓變換比大的場合，開關器件需要工作在極端占空比狀態，不利于變換器效率的提高，且限制了開關器件工作頻率的提升。

2013年重慶大學提出了一種帶開關電容網絡的兩相交錯并聯型高增益Boost變換器，并對其工作原理和各功率開關器件電壓應力進行了分析。在此基礎上提出了一種基于開關電容的2相交錯并聯雙向變換器，能夠減小輸入電流紋波和開關器件電壓應力，并實現能量的雙向流動。但較大的電感量和輸入、輸出濾波電容導致其自動均流的動態特性較差，變換器易出現電流尖峰甚至失穩，另外其升壓/降壓模式下其最高效率僅91％和90％。

根據上述問題，高電壓增益雙向DC-DC變換器還需進一步提高變換器的電壓增益、效率和功率密度，減小功率器件的電壓/電流應力。

發明內容