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制造技術

本發明專利技術公開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，主電路拓撲充分結合多繞組耦合電感和二極管電容升壓網絡的特性，具有以下明顯優勢：1)提高電壓增益，減小功率器件電壓應力；2)實現零輸出電壓紋波，顯著降低LC濾波器的需求；3)降低耦合電感的匝數比，減小磁性元件體積，提高功率密度；4)抑制開關管關斷電壓尖峰，降低開關損耗，提高電能轉換效率；5)基本升壓單元模塊化設計，靈活性強；本發明專利技術在新能源分布式發電系統中，具有廣闊的應用前景。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于新能源光伏、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。
技術介紹
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)。
技術實現思路
本專利技術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，本專利技術采用以下技術方案予以實現：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，包括輸入端電源Vdc、可控開關管S、多繞組的耦合電感、多個二端口二極管電容升壓單元，LC濾波電路以及輸出端負載RL；其中耦合電感等效為具有固定變比的理想變壓器與勵磁電感Lm并聯后再與等效到原邊的漏感Lk串聯；LC濾波電路由濾波電感Lf和濾波電容Cf構成；輸入端電源Vdc的正極接耦合電感原邊繞組正極，可控開關管S接在輸入端電源Vdc的負極與耦合電感原邊負極兩端，同時，電源Vdc的負極和耦合電感原邊負極與第一二端口二極管電容升壓單元輸入端相連，耦合電感第二繞組與第二二端口二極管電容升壓單元輸入端相連，依次類推，耦合電感第N-1繞組與第N-1二端口二極管電容升壓單元輸入端正極性相連，耦合電感第N繞組與第N二端口二極管電容升壓單元輸入端反極性相連，N個二端口二極管電容升壓單元的輸出端順序串聯后接LC濾波電路的輸入端，LC濾波電路的輸出側接負載RL，其中N為正偶數。本專利技術進一步的改進在于：所述二極管電容基本升壓單元包括第一二極管Di1、第二二極管Di2、第一直流電容Ci1和第二直流電容Ci2；第一直流電容Ci1的正極接第一二極管Di1的陽極，第二直流電容Ci2的正極接第一二極管Di1的陰極；第一直流電容Ci1的負極接第二二極管Di2的陽極，第二直流電容Ci2的負極接第二二極管Di2的陰極；第一二極管Di1的陰極和第二二極管Di2的陽極為二端口二極管電容升壓單元的輸出端；其中1≤i≤N。所述耦合電感各繞組的匝數比滿足n1＝n2，nj:n1＝n，3≤j≤N。與現有技術相比，本專利技術具有以下有益效果：本專利技術提出一種多單元二極管電容網絡和耦合電感高增直流變換器，主電路拓撲充分結合多繞組耦合電感和二極管電容升壓網絡的特性，具有以下明顯優勢：1)提高電壓增益，減小功率器件電壓應力；2)實現零輸出電壓紋波，顯著降低LC濾波器的需求；3)降低耦合電感的匝數比，減小磁性元件體積，提高功率密度；4)抑制開關管關斷電壓尖峰，降低開關損耗，提高電能轉換效率；5)基本升壓單元模塊化設計，靈活性強。本專利技術在新能源分布式發電系統中，具有廣闊的應用前景。【附圖說明】圖1為二極管電容網絡高增益直流變換器；其中(a)為基本二極管電容網絡高增益直流變換器，(b)為多單元級聯型二極管電容網絡高增益直流變換器；圖2為多單元二極管電容網絡和耦合電感高增益直流變換器(N＝2)；圖3為二端口二極管電容升壓單元；圖4為基于多單元二極管電容網絡和多繞組耦合電感的高增益直流變換器；圖5為本專利技術的電壓增益與升壓占空比D、耦合電感匝數比n及基本升壓單元數目N之間關系；圖6為本專利技術的功率器件電壓應力與升壓占空比D、耦合電感匝數比本文檔來自技高網...

【技術保護點】
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，其特征在于，包括輸入端電源Vdc、可控開關管S、多繞組的耦合電感、多個二端口二極管電容升壓單元，LC濾波電路以及輸出端負載RL；其中耦合電感等效為具有固定變比的理想變壓器與勵磁電感Lm并聯后再與等效到原邊的漏感Lk串聯；LC濾波電路由濾波電感Lf和濾波電容Cf構成；輸入端電源Vdc的正極接耦合電感原邊繞組正極，可控開關管S接在輸入端電源Vdc的負極與耦合電感原邊負極兩端，同時，電源Vdc的負極和耦合電感原邊負極與第一二端口二極管電容升壓單元輸入端相連，耦合電感第二繞組(vs2)與第二二端口二極管電容升壓單元輸入端相連，依次類推，耦合電感第N?1繞組(vs(N?1))與第N?1二端口二極管電容升壓單元輸入端正極性相連，耦合電感第N繞組(vsN)與第N二端口二極管電容升壓單元輸入端反極性相連，N個二端口二極管電容升壓單元的輸出端順序串聯后接LC濾波電路的輸入端，LC濾波電路的輸出側接負載RL，其中N為正偶數。

【技術特征摘要】
1.一種多單元二極管電容網絡和耦合電感高增益直流變換器，其特征在于，包括輸入端電源Vdc、可控開關管S、多繞組的耦合電感、多個二端口二極管電容升壓單元，LC濾波電路以及輸出端負載RL；其中耦合電感等效為具有固定變比的理想變壓器與勵磁電感Lm并聯后再與等效到原邊的漏感Lk串聯；LC濾波電路由濾波電感Lf和濾波電容Cf構成；輸入端電源Vdc的正極接耦合電感原邊繞組正極，可控開關管S接在輸入端電源Vdc的負極與耦合電感原邊負極兩端，同時，電源Vdc的負極和耦合電感原邊負極與第一二端口二極管電容升壓單元輸入端相連，耦合電感第二繞組(vs2)與第二二端口二極管電容升壓單元輸入端相連，依次類推，耦合電感第N-1繞組(vs(N-1))與第N-1二端口二極管電容升壓單元輸入端正極性相連，耦合電感第N繞組(vsN)與第N二端口二極管電容升壓單元輸入端反極性相連，N個...

【專利技術屬性】
技術研發人員：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，
類型：發明
國別省市：陜西;61