- 頭條華南理工科研團隊提出新型變換器，適合分布式發電和電動汽車領域2021-09-06 作者：丁杰 高雙 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語華南理工大學電力學院的研究人員丁杰、高雙、趙世偉、尹華杰，在2021年第7期《電工技術學報》上撰文，針對高電壓增益、大功率應用場景，提出一種基于耦合電感的對稱式交錯并聯DC-DC變換器。實測變換器樣機的最高效率為97.34%，滿載時（1kW）效率為94.64%。
隨著全球環境污染和能源危機的加劇，太陽能、風能、地熱能等清潔可再生能源被學術界和工業界廣泛關注。而在以新能源為首的光伏發電系統中，由于光伏板的電壓較低（30~60V），為了實現逆變并網，必須對其進行高升壓比轉換（360~400V）。此外，為了盡可能達到光伏板的最大功率輸出，提高太陽能的利用率，變換器應具有低輸入電流紋波的特性。因此，研究具有高效、高增益、低輸入電流紋波的DC-DC變換器具有重要的意義。
傳統Boost變換器雖然理論上能夠實現較高的電壓增益，但由于實際電路中元器件的非理想特性及寄生參數等影響，即使占空比趨近于1，也無法實現較高的電壓傳輸比。為此，國內外研究學者針對如何提高變換器的電壓增益進行了深入的研究。但文獻研究顯示，這些方法存在變換器效率和可靠性低、電壓增益有限、不適合大功率應用場景等問題。
因此，華南理工大學電力學院的研究人員提出了一種新型DC-DC變換器。該變換器是在圖1有關學者提出的變換器基礎上增加第二繞組，形成了一種對稱型交錯并聯耦合電感高增益DC-DC變換器。
圖1 有關學者提出的變換器
本變換器保留了原有變換器的特點：①兩相電路完全對稱，且自動實現均流；②適合大功率應用場景；③低輸入電流紋波；④可以通過開關電容單元（Switched Capacitance Unit, SCU）個數來調節電壓增益，并進一步提高了電壓增益，降低了功率器件的電壓應力。因此，可以采用低電壓等級、高性能的半導體器件來提高變換器的效率。同時，可以通過耦合電感的匝數比來調節電壓增益，提高了變換器的靈活性。
其電路結構對無源鉗位電路（Passive Clamping Circuit, PCC）進行了復用，既可以吸收耦合電感漏感的能量，降低開關管的漏感電壓尖峰，又作為倍壓電路，提高了電壓增益。將SCU擴展至n個，避免了在實現高電壓增益轉換時，耦合電感匝比過高導致漏感過大的問題。最后，研究人員搭建了一臺1kW的樣機進行驗證，實驗結果驗證了該變換器拓撲的可行性及優越性。
圖2 實驗樣機
圖3 變換器功率損耗分布
圖4 效率曲線
理論分析和實驗結果表明所提變換器具有以下特點：
- 1）采用交錯并聯的結構，一方面擴大了變換器的容量，另一方面降低了輸入電流紋波。
- 2）兩相電路完全對稱，且相互耦合，能夠自動實現均流，不存在功率失衡問題。
- 3）既可以通過改變耦合電感的匝數比來調節電壓增益，又能夠增減SCU個數來進行輔助調壓，提高了變換器的靈活性。
- 4）電壓增益較高，開關管電壓應力較低，可采用低電壓應力、低導通電阻的開關管來降低導通損耗和成本，提高變換器效率。
鑒于以上特點，研究人員認為該新型變換器非常適用于高電壓增益、低輸入電流紋波的大功率應用場景，如分布式發電系統和電動汽車等領域。
以上研究成果發表在2021年第7期《電工技術學報》，論文標題為“基于耦合電感的對稱式交錯并聯低輸入電流紋波高增益DC-DC變換器”，作者為丁杰、高雙、趙世偉、尹華杰。
