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谐振电感式升压DC/DC转换器的电路设计

454398 来源:powerelectronicsnews 作者:powerelectronicsnews 2021-03-23 16:13 次阅读

在电动汽车和混合动力汽车中,电压转换范围从非常低的(0.8 V)到非常高的电压(450至800 V)不等。这激发了开发新技术来生产DC / DC转换器的兴趣,这些技术不仅高效且可为特定应用提供精确的值,而且功耗也较小。对于高电压增益,使用LC谐振回路,该回路的缺点是取决于负载,并且还会产生无功电流,从而降低了效率。2为了克服此缺点,使用了匝数多的变压器来获得高电压增益。3,4大量匝数会引入较大的泄漏电流,从而导致电压下降,从而降低转换的电压增益。尽管可以使用串联电容器来补偿电压降,但这是实现高电压增益的困难方法。5,6在本文中,我们将讨论具有非常高的电压增益的谐振电感式升压DC / DC转换器。它们具有一个单开关谐振逆变器,该逆变器向变压器提供高频交流电压,以及一个Cockcraft-Walton(CW)乘法器,该乘法器对变压器的输出进行整流并将其升压至高直流电压。

变流器的电路及工作

图1显示了谐振电感式升压DC / DC转换器的电路图。它包括三个部分。第一部分称为谐振逆变器,它由一个电感器,一个开关和一个电容器组成。第二部分是感应升压,它具有一个电容器和一个空心变压器。变压器的初级和次级之间的匝数比为“ n”,耦合系数为“ k”。因此,变压器可实现的增益由公式n / k给出。这有助于克服变压器松耦合的缺点,并允许高电压增益。1个最后一部分包含CW整流器。它由多个电容器和二极管组成。该部分将来自变压器的交流输出整流并升压为高直流电压输出。

首先,打开单开关谐振逆变器以产生AC波形,然后通过电感器以减少输入电压的波动,以提供连续的电流源。1在开关S接通之前,AC波形达到0,这将启用零电压开关(ZVS)。在ZVS操作中,在接通开关之前,电容器会并联使电压谐振为0。然后,将此交流电压提供给空心变压器,从而放大其幅度。然后,放大的交流电压通过CW倍增器,它将放大的交流电压整流为非常高的直流电压。通过计算正确的电感升压电路元件值,我们可以设计一个具有非常高且与负载无关的电压增益的转换器。

图1:谐振电感式升压DC / DC转换器的电路图

设计指标

在共振感应升压中,最重要的成分是共振成分。在基于PWM的常规DC / DC转换器中,应以相同的方式选择Lf和CW整流器中的电容器之类的组件。7所提议的DC / DC转换器中的L1,L2,Cr,Cf和k之类的谐振分量负责两件事:

  • 开关的ZVS操作
  • 与负载无关的电压增益

为我们的原型选择的这些组件的价值如下:

  • L1 = 1.1 µH
  • L2 = 17.6 µH
  • 铬= 137 nF
  • Cf = 120 nF
  • k = 0.59

原型与效率

图2显示了谐振电感式升压DC / DC转换器的原型。的规格是9伏的输入电压和800 V的输出电压,以500kHz的开关频率和45瓦的功率消耗1个实验已经表明,在8.57-V输入时,输出电压为753.23 V,其中约为输入电压的87.9倍。开关的电压应力为输出电压的4%,约为30V。低应力电压意味着更高效率和成本效益的转换器。

实验结果还表明,在低输入电压下,由于CW整流器中的压降,转换器的效率也很低,但随着输入电压的增加,转换器的效率趋于增加。例如,在1V输入下,效率约为75%,随着输入电压的增加,效率提高到85%。在6.57 V时可实现最大效率,其中输出电压为560.29 V,效率为87.9%。1个

图2:谐振电感式升压DC / DC转换器的原型

分析与结论

谐振电感式升压DC / DC转换器是一个复杂的电路,但提供了与负载无关的高DC电压。该文章将电压的高增益可视化,并且实验结果还表明,可以实现89%的效率。它也表明电压有89倍的增益,并且有一个低输入电压,可以提高转换器的性能。这项技术和实验工作表明,谐振感应技术可用于不同的应用,并且需要非常低的输入。它允许两步提升输入电压,并通过增加电流来提高变压器的性能。主开关具有完美的ZVS操作,以执行整个电感谐振技术。它可以用于不同的应用,尤其是在电动汽车和混合动力汽车中,因为它们需要高电平的电压转换来为发动机提供动力。它也可以用于电动汽车的充电系统。

参考

1香港大学电气与电子工程系李克瑞,谭秀重和罗树源慧。

2K. Li,SC Tan和A. Ioinovici,“在整个负载范围内具有高升压转换比和ZVS的直流移相谐波升压谐振DC / DC转换器”,Proc。2019 IEEE应用功率电子会议暨展览会(APEC),美国加利福尼亚州阿纳海姆,2019年,第1307–1312页。

3S. Park,L。Gu和J. Rivas-Davila,“使用多级DE整流器的60 V至35 kV输入并联输出系列DC / DC转换器”,Proc。2018 IEEE应用功率电子会议暨展览会(APEC),德克萨斯州圣安东尼奥市,2018年,第2235–2241页。

4M. Nymand和MAE Andersen,“用于大功率低压燃料电池应用的高效隔离式升压DC-DC转换器”,IEEE Trans Ind。Electron。,第1卷。57号2,第505-514页,2010年2月。

5X. Sun,Y。Shen,Y。Zhu和X. Guo,“具有固定频率pwm控制的交错式Boostintegrated LLC谐振转换器,可再生能源发电应用”,IEEE Trans。电力电子,卷。30号2015年8月,第8页,第4312至4326页。

6Y. Shen,H。Wang,Z。Shen,Y。Yang和F. Blaabjerg,“具有用于光伏微逆变器的双模整流器的1-MHz串联谐振DC-DC转换器”,IEEE Trans。电力电子,卷。34号7,第6544–6564页,2019年7月。

编辑:hfy

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