[發明專利]功率轉換器和功率轉換方法

有效

• 申請號: 201580076950.5
• 申請日: 2015-02-27
• 公開（公告）號: CN107431435B
• 公開（公告）日: 2020-09-15
• 發明（設計）人: 熊松;陳秀聰;許樹源
• 申請（專利權）人: 香港大學
• 主分類號: H02M3/335
• 分類號: H02M3/335
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 徐紅燕;陳嵐

一種功率轉換器包括一個或多個開關塊。每一個開關塊具有：多個開關對，每一個開關對具有串聯連接到彼此的兩個開關；多個初級節點，每一個互連相應開關對中的開關；以及多個次級節點，每一個開關對通過一個所述次級節點串聯連接到相鄰的開關對以形成開關對的串聯鏈，次級節點包括所述串聯鏈的一端處的次級節點和所述串聯鏈的另一端處的次級節點。所述初級節點的每一個相鄰對可連接到飛跨電容器。每一對所述次級節點可連接到以下中的一個或多個：一個或多個旁路電容器和一個或多個其它所述開關塊。功率轉換器還包括由開關塊中的任何一個中的次級節點中的任何兩個形成的第一端子，以及由開關塊中的任何一個中的次級節點中的任何兩個形成的第二端子。

技術領域

本發明涉及功率轉換器和功率轉換方法，以及特別地，DC/DC功率轉換器和DC/DC功率轉換方法。本文主要與高電壓增益功率轉換有關地描述本發明，但是本發明不限于該特定應用。

背景技術

化石燃料的大量使用已經造成嚴重的環境污染和溫室效應。增加可再生能量的利用對于我們的可持續發展而言是迫切要做的事。一般地，分布式能量資源(DER)系統[1](包括光伏(PV)陣列、熱電發電機(TEG)、燃料電池和電池組存儲元件)中的常用設備的輸出具有DC電壓，該DC電壓具有如與電力網的所要求的電壓水平相比的相對低的水平 [2]-[4]。這些設備通過高電壓增益升壓DC/DC轉換器連接到電力網，所述高電壓增益升壓 DC/DC轉換器與DC/AC逆變器級聯[2]-[5](參見圖1)。為了實現電網水平電壓，逆變器 DC鏈路輸入電壓總是被設計在從200V至400V的范圍中[5]。因而，要求高電壓增益 DC/DC轉換器[3]、[5]。

貫穿本說明書，對本描述結尾處列出的引用文獻進行參考。對照方括號中的對應數字[n]列出每一個引用文獻，并且在本說明書中對對應的引用文獻進行參考的地方引用方括號中的所述數字。

理論上，升壓轉換器自身可以通過增加占空比D來實現高電壓增益轉換M，即 M＝1/(1-D)。然而，對于這樣的轉換，電感器的漏電感和寄生電阻將使轉換器的效率降級，并且在實踐中將總體可實現的增益M限制到小值[6]-[9]。而且，在轉換器以極其高的占空比工作的情況下，輸入電流紋波將明顯增加。高電流紋波還增加開關損耗。另外，轉換器的開關和二極管遭受高電壓應力，這強制要求對于更好組件的需要。高電壓應力還造成開關和二極管的高開關和反向恢復損耗[6]。極其高的占空比還由于用于處置瞬態改變中的占空比調節的有限空間而使升壓轉換器的瞬態性能惡化。因此，用于高電壓增益轉換的升壓轉換器的應用是高度受限的。

為了避免極其高的占空比以及其由于高增益操作所致的相關問題，具有變壓器的隔離轉換器是可替換方案[10]-[15]。具有變壓器的轉換器，諸如相變全橋轉換器，可以通過調節變壓器的匝比并且在預先優化的范圍處操作占空比而容易地實現超高電壓增益轉換。然而，轉換器的效率由于二極管中的高電壓應力導致的高損耗和變壓器的漏電感而可以是低的 [6]。由于漏電感是功率浪費的顯著來源，因此應用利用有源鉗位電路的技術以再循環漏電感器的能量以改進轉換器的效率[10]、[11]。然而，由于諸如隔離傳感器和反饋控制器之類的昂貴組件的使用，這以使啟動操作復雜和較高的設立成本為代價[6]。而且，對于具有變壓器的轉換器，必須考慮磁體的重量、尺寸和成本。因而，關于不要求使用變壓器隔離以用于保護的DER，優選的是避免使用具有變壓器的轉換器。

此外，基于磁性的轉換器不適合于高溫環境中的應用，因為當溫度增加時可滲透性可以明顯降低。這將進一步造成轉換器的增加的功率損耗，并且該損耗將進一步提升溫度 [16]。而且，要求一些DER在高溫環境中起作用。這樣的DER包括PV陣列和TEG。因此，優選的是在PV和TEG系統中應用無磁(magnetic-less)轉換器，尤其是操作在高溫環境中的那些。