[發(fā)明專利]交錯二極管電容網(wǎng)絡(luò)高增益ZVT直流變換器及輔助電路

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110697676.0
• 申請日: 2021-06-23
• 公開（公告）號: CN113541486B
• 公開（公告）日: 2023-03-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張巖;李新穎;程鈺杰
• 申請（專利權(quán)）人: 南京軍曜科技有限公司;西安交通大學(xué)
• 主分類號: H02M3/158
• 分類號: H02M3/158;H02M1/14;H02M1/44
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 陳鵬

本發(fā)明公開了一種交錯二極管電容網(wǎng)絡(luò)高增益ZVT直流變換器及輔助電路，所述ZVT輔助電路包括第一輔助電路、第二輔助電路以及諧振電感，第一輔助電路包括第一輔助開關(guān)管和第一輔助二極管，第二輔助電路包括第二輔助開關(guān)管和第二輔助二極管，第一輔助電路和第二輔助電路共用一個(gè)諧振電感，用于實(shí)現(xiàn)直流變換器中第一可控開關(guān)管和第二可控開關(guān)管的ZVS開通和關(guān)斷，同時(shí)第一輔助開關(guān)管和第二輔助開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZCS開通，所有二極管實(shí)現(xiàn)ZCS關(guān)斷。在實(shí)現(xiàn)高效率、高功率密度的同時(shí)具備可擴(kuò)展的高電壓增益、低輸入電流紋波、低電壓應(yīng)力、寬范圍軟開關(guān)以及參數(shù)設(shè)計(jì)簡單的特性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于變換器領(lǐng)域，特別涉及一種交錯二極管電容網(wǎng)絡(luò)高增益ZVT直流變換器及輔助電路。

背景技術(shù)

由于化石燃料的耗竭和環(huán)境污染，新能源的關(guān)注度日益上升。而新能源中光伏和燃料電池技術(shù)由于其適用地域范圍廣，建設(shè)周期短并且清潔無污染因而成為未來戶用型新能源發(fā)電的理想方式。但是這兩種能源均存在輸出電壓低且寬范圍波動的顯著特性，因此需要前級高增益直流變換器進(jìn)行升壓變換的同時(shí)保證直流母線電壓穩(wěn)定，進(jìn)而通過并網(wǎng)逆變器接入電網(wǎng)。

當(dāng)前所面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)就是如何以最少的功率器件和無源元件來應(yīng)對輸入大電流和輸出高電壓。輸入并輸出串LLC或雙有源橋變換器是實(shí)現(xiàn)高增益和高效率的首選解決方案。但是，模塊間的均壓均流協(xié)調(diào)控制顯著增加了系統(tǒng)成本和復(fù)雜度，使其更適于大功率應(yīng)用。在不要求強(qiáng)制隔離的應(yīng)用中，非隔離式DC-DC變換器具有實(shí)現(xiàn)更高的效率和功率密度的潛在優(yōu)勢。其中兩相交錯式升壓二極管電容(TIBD)變換器是由兩相交錯boost輸入和二極管電容升壓單元(VMC)兩部分組成，該類變換器都具有相似的優(yōu)異性能。交錯boost輸入部分使得輸入電流連續(xù)且紋波降低，可控開關(guān)管的電流應(yīng)力減小，而二極管電容升壓單元實(shí)現(xiàn)高增益的同時(shí)降低所有半導(dǎo)體器件的電壓應(yīng)力，從而可以使用低通態(tài)電阻功率器件降低導(dǎo)通損耗。此外，較少的磁性元件可以實(shí)現(xiàn)高功率密度集成。然而對于TIBD變換器來說，隨著半導(dǎo)體器件數(shù)量的增加，硬開關(guān)會引起較高的功率損耗和嚴(yán)重的電磁干擾，軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)尤為必要。與使用變壓器漏感自然實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的隔離式DC-DC變換器不同，TIBD變換器中的所有電感電流和電容電壓都是恒定的直流分量，不存在電壓電流過零點(diǎn)，因此軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)困難。現(xiàn)有針對TIBD變換器的軟開關(guān)解決方案更多局限于一個(gè)特定的TIBD拓?fù)洌狈樵擃愋阅軆?yōu)異的拓?fù)湎到y(tǒng)性的軟開關(guān)設(shè)計(jì)方案。

與零電流開關(guān)相比，零電壓開關(guān)更適于應(yīng)用MOSFET或GaN的高頻功率變換器。最簡單直接的方法是臨界導(dǎo)通模式，設(shè)計(jì)一個(gè)小的升壓電感從而在一個(gè)開關(guān)周期結(jié)束時(shí)實(shí)現(xiàn)電流回零。但是，高的峰均電流比和輸入紋波限制了其在極低功率變換中的應(yīng)用。對于準(zhǔn)諧振TIBD變換器，將小電感插入到開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)中，然后以小諧振電容替換大電容。但此時(shí)由諧振電容傳輸至負(fù)載的能量有限，電壓增益較低。與ZVS方法不同，ZVT拓?fù)鋵⑤o助支路從主電路中移除，并且僅在主開關(guān)切換時(shí)動作。因此，額外的電壓應(yīng)力和功率損耗很小。雖然已有用于TIBD變換器的ZVT方法，但每種方法僅適于特定的拓?fù)洌⑶襔VS范圍受限并隨不同的諧振參數(shù)變化而變化。

交錯非隔離型二極管電容網(wǎng)絡(luò)高增益直流變換器采用雙boost電路交錯工作方式，有助于減小輸入電流紋波，提高燃料電池和光伏板使用壽命。二極管電容網(wǎng)絡(luò)的高增益特性使得半導(dǎo)體器件電壓應(yīng)力大大減小，低壓開關(guān)管在減小電路成本和導(dǎo)通損耗的同時(shí)能夠提高電路的效率。磁件和開關(guān)管數(shù)量減少有利于降低電路體積、減小驅(qū)動成本，具有高功率密度的優(yōu)勢。但該類變換器的硬開關(guān)工作方式限制了該類變換器的開關(guān)頻率的進(jìn)一步提升，功率密度受限，無法實(shí)現(xiàn)小型化和輕量化的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種交錯二極管電容網(wǎng)絡(luò)高增益ZVT直流變換器及輔助電路，在實(shí)現(xiàn)高效率、高功率密度的同時(shí)具備可擴(kuò)展的高電壓增益、低輸入電流紋波、低電壓應(yīng)力、寬范圍軟開關(guān)以及參數(shù)設(shè)計(jì)簡單的特性。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：