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一种带开关耦合电感的低纹波高动态响应交错并联高增益BOOST变换器

2019-12-05 10:04:46 来源:电子变压器与电感网

可再生能源发电系统的光伏电池、燃料电池、储能电池等端口电压较低,必须依靠高增益变换器将其输出电压拉升至较高电压等级。本文通过拓扑功率重构和组合演化,提出一种新型含开关耦合电感的高增益、低纹波和高动态响应的非隔离两相交错并联型Boost变换器。

近年来,可再生能源分布式发电系统受到越来越多的重视,但由于该系统中前级电源的输出电压往往较低,需要高增益变换器将其拉升到后级较高并网电压等级,以实现该并网逆变器的并网功能[1]。同时,由于系统中各输入能源模块受复杂环境变化影响,其输出电压波动大,随机性强,因此,研究可适用于可再生能源发电系统,且具备宽输入适应性、高增益稳定特性的变换器就变得非常重要[2]。目前,很多学者研究具备高电压变比的直流变换器,文献[3]提出基于两级结构的二次型Boost变换器提高输出电压变比,然而其拓扑结构过于复杂,且由于两级式结构,其功率变换需要两个阶段,导致输出效率不高。文献[4]提出采用多绕组耦合电感级联开关电容的方法构造出高增益Boost变换器,但是由于现阶段电感设计和加工的工艺水平有限,其变换器耦合电感存在较大漏感,且不易消除,这导致该拓扑难以推广和实现批量化应用,实用性不高。

文献[5]提出基于多个开关电感的有源网络高增益Boost变换器,可实现非极限占空比下高电压增益,电压应力较小,且可以实现不同工作场合下的功率任意拓展,但是该拓扑电流纹波较大,导致效率不高,其稳定性和动态响应特性亦不好。文献[6~8]采用多路输入获得高增益性能,但变换器成本较高,仅适用于特种电源场合,实用价值不高。文献[9~[12]均提出了采用开关耦合电感的方式实现高增益,且拓扑具有软开关、低电压应力和高效率的优点,但文献中只是对传统变换器电感进行简单的替换,并没有对开关耦合电感进行磁集成研究,因此体积和重量大幅增加,降低了变换器的功率密度。文献[13]采用了Boost多电平方案,但较多的电平数,大量的电容会增加拓扑复杂性。文献[14]采用有源网络开关电容单元结构大幅提高了变换器的增益,但存在电流纹波大,导致变换器稳定性下降等问题。

针对上述问题,笔者提出一种含开关耦合电感的高增益、低应力、高动态响应、低纹波的非隔离型Boost变换器。针对开关电感单元中较多的磁性元件增加了变换器体积,恶化输出纹波,降低变换器稳定性的难题,本文提出利用平面阵列化集成磁技术,将单元开关电感中分立电感绕制在一副或多幅磁芯,集成辐合开关耦合电感,并结合交错控制,可以降低电流纹波,改善动态响应特性,并提高功率密度和转换效率。多相交错并联控制技术结合开关耦合电感倍压增益单元,还可以实现相数扩展和系统扩容。通过分析变换器工作特性,进行变换器等效电感分析和耦合电感设计,并给出设计准则,最后通过一台5000W样机的稳态和暂态实验,验证了上述理论分析。

 

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