[發明專利]一種多單元二極管電容網絡和耦合電感高增益直流變換器

有效

• 申請號: 201610370587.4
• 申請日: 2016-05-30
• 公開（公告）號: CN105958816B
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發明（設計）人: 張巖;董卓;劉進軍;馬小龍;李偉強
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H02M3/07
• 分類號: H02M3/07;H02M1/14
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 陸萬壽

【技術領域】

本發明屬于新能源光伏、燃料電池等分布式發電領域，涉及高增益直流變換技術，具體是一種多單元二極管電容網絡和耦合電感高增益直流變換器。

【背景技術】

太陽能、燃料電池等綠色能源的開發利用，對于優化我國能源結構，實現經濟、環境的可持續發展具有重要的戰略意義。和傳統的直流電源，如直流發電機、蓄電池特性不同，光伏、燃料電池存在輸出電壓低且電壓跌落明顯的特點，其最低、最高電壓比可達到1:2，甚至更大，成為新能源發電系統中的諸多技術瓶頸之一。

典型的光伏、燃料電池發電系統分為單級型和兩級型兩種。單級結構逆變器(DC-AC)只經過一級能量變換，具有電路簡單、元器件少、效率高、可靠性高等優點。然而，電壓源型逆變器只能實現降壓調節。通常電池陣列需要串聯以提高電壓等級，而串聯結構由于部分電池板被云層等外部因素遮蔽，導致輸出功率嚴重損失，電壓跌落，可能無法保證變流器輸入電壓任意時刻大于電網電壓峰值，以致系統不能正常工作。同樣，若采用多個單體燃料電池串聯獲得較高的輸出電壓，可能因某個電池組的失效導致整個電池組無法正常工作。兩級型發電結構由前級的升壓直流變換器(DC-DC)以及后級逆變器(DC-AC)組成。直流電路將較低的電池電壓提升到200V、400V甚至更高的電壓等級，使電池組工作在一個寬輸出電壓范圍內。后級逆變器(DC-AC)獲得并網或負載所需的交流電。兩級結構可以實現分級優化設計和控制，具有更廣闊的應用前景，引起普遍重視。

具有升壓功能的基本直流變換器，理論上當占空比接近1時，電壓增益趨近無窮大。然而，受主電路電感回路中寄生參數和控制器性能影響，即使占空比達到接近于1的極限狀態，也很難具有較高的電壓增益。二極管在極短的時間內導通，且承受相對較大的電壓、電流應力，勢必導致嚴重的開關損耗和EMI問題。此外，高增益應用場合，變換器的強非線性和非最小相位系統特性，使得動態性能明顯變差。因此，高增益直流變換技術是實現電力電子變流器寬輸入范圍電壓調節、高效電能變換、高功率密度的重要理論基礎，是新能源分布式發電系統亟待解決的關鍵科學技術問題之一。

耦合電感本質上是具有一定耦合系數的變壓器，通過設計原、副邊電感的匝數比實現電壓調節。然而，完全依靠耦合電感的變壓器效應提高電壓增益，需要相對較高的匝數比。這樣，一方面會增加磁性元件的體積和損耗，另一方面原、副邊耦合較差，會影響電壓增益的線性度。

利用二極管電容網絡獲得相對較高的電壓增益，減小磁性原件的需求，在高增益應用場合具有明顯的效率和功率密度優勢。基于二極管電容網絡的高增益直流變換器，如圖1所示。圖1(a)利用二極管的單向導電性巧妙地實現了兩個電容的并聯充電和串聯放電，提高輸出電壓，(現有文獻Ismail E H,AlSaffar M A,Sabzali A J,et al.A Family of Single-Switch PWM Converters With High Step-Up Conversion Ratio[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems,vol.55,no.4,pp.1159-1171,May.2008)。為進一步提高電壓增益，可以將多個二極管電容基本電壓增益拓展單元進行級聯，主電路如圖1(b)。圖1(a)電路當S＝ON時，兩二極管串聯放電，當S＝OFF時，兩電容并聯充電。二極管電容升壓單元輸出脈沖型方波直流電壓。高增益應用場合，輸出電流相對值較小，為減小電流紋波和輸出電壓紋波，需要選取較大的電感值。圖1(b)為多單元二極管電容網絡高增益直流變換器，當S＝ON時，單元1中的兩個電容串聯給單元2中的兩個電容充電，具有電壓源特性的多個電容直接經過電力半導體器件短路充電、放電過程，產生極大的沖擊電流，增加了器件損耗。(現有文獻“候世英，陳劍飛，孫滔‘基于Switch-Capacitor網絡的單開關升壓變換器’，電工技術學報，vol.28,no.10,pp.206-216,Oct.2013)。

【發明內容】

本發明的目的在于克服二極管電容升壓網絡的脈沖型方波輸出電壓和沖擊電流的固有缺陷，結合多繞組耦合電感的特性，提出一種多單元二極管電容網絡和耦合電感高增益直流變換器。在二端口二極管電容網絡輸入端加入具有受控電壓源特性的耦合電感副邊繞組，避免電容之間直接經過電力半導體器件短路充電、放電過程。各升壓單元輸出電壓互補，實現零輸出電壓紋波，顯著降低LC濾波器的需求。

為達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：