【《高增益DC-DC变换器研究现状的文献综述》3600字】

(a)正激隔离Boost变换器(b)全桥隔离Boost变换器(c)新型隔离型Boost变换器(d)交错并联隔离型Flyback-Boost变换器图1.5隔离型变换器Figure1.5Isolatedconverter图1.5(c)为改进后新型隔离Boost变换器，仅使用一个有源开关，降低控制难度，电路结构上增加漏感吸收回路，能有效抑制电压尖峰，减轻开关震荡，具有软开关、高功率密度特点；图1-4(d)所示，在Flyback-Boost变换器拓扑基础上，引进有源技术对其改善，利用整流单元叠加升压，开关管两端电压较低。隔离型DC-DC变换器具有电气隔离优势，为了提高电压增益可以直接提高变压器匝比来实现，但是匝比过大势必增大变压器漏感，易于功率器件的寄生电容谐振，存在电压尖峰问题，影响变换器稳定工作。一般采用漏感吸收回路来抑制，但不利于输出侧对漏感能量直接使用，同时变压器影响传输功率密度，隔离型变换器还有很多，不再详细赘述。2非隔离型DC-DC变换器非隔离DC-DC变换器因其拓扑简单、温度低、可靠性强、效率高等优势，在光伏发电、BEV、UPS、航空航天领域担任调节电压作用，在工业领域应用广泛。由于电路简单，储能器件较少，一般通过提高占空比难以大幅度提升电压，同时存在开关处于硬状态、二极管反向恢复、半导体器件电压应力大等问题。国内外文献着针对上述不足提出各种改进方案，一般通过增加储能元件或者倍压单元实现升压，如何在控制成本、保证效率情况下实现良好增益效果是DC-DC变换器研究重点。结合现有文献资料，一般常用多结构倍压组合、开关电容、开关电感、耦合电感、交错并联等升压技术，下面对各种技术进行分析。3多结构倍压技术为了提升输出电压，早期的文献通常采用多结构倍压技术，将不同简单DC-DC变换器进行组合形成新型变换器，该技术对电压增益有一定程度提高，图1.6为多结构倍压技术广义图，分类众多，不同组合方式分析如下：(1)组合倍压技术一般采取输入侧并联，输出侧串联，合并相同电路结构连接方式。组合的变换器越多增益越大，但考虑成本和器件损耗，一般只组合两个变换器。文献[13]和[14]均采用叠加LCD电压转换单元提高电压增益，该单元易于叠加，且保留原Sepic和Cuk变换器工作特点，但是升压幅度小，叠加次数过多，器件使用过多导致输出效率降低。(2)级联式倍压技术：通常将多个简单变换器拓扑结构进行串联，级联次数越多，增益越大。为保持较高输出效率，一般只级联两个变换器，但是额外增加一个有源开关，增加开关导通损耗。文献[15]对此提出一种二次型Boost变换器拓扑结构，仅使用一个开关管，但依旧存在输出二极管电压应力大的问题。(3)多输入倍压技术：该技术与组合倍压技术相似，通过输入电源叠加提高增益，文献[16]提出一种双输入电源拓扑结构，输出电压提高不明显，多电源并联不仅增加了成本，电源损毁也影响变换器可靠工作，提高变换器故障率，一般应用在分布式光伏系统。(4)多电平倍压技术：利用模块化组合方式提高电压，实现多电平和高增益效果，具有电压增益高、易于扩展优势。文献[17]提出一种新型三电平Boost拓扑结构，在常规三电平Boost变换器基础上增加开关电感、耦合电感提高电压增益，但拓扑较复杂，增加成本。上述升压技术都能一定程度增大输出增益，但存在后级器件电压应力高、增益提升有限、半导体器件多、损耗大、成本高等问题，适用于电压较小场合。1.6多结构倍压技术示意图1.6Schematicdiagramofmulti-structurepressuredoublingtechnology4开关电容和开关电感技术变换器连接组合方式升压使用拓扑结构复杂，增加成本。对此很多专家学者在传统DC-DC变换器拓扑基础上增加倍压结构来升压，形成的拓扑相对简单，保留原变换器工作性能。对传统DC-DC变换器拓扑结构分析，提取并推演出各种倍压方案，其中开关电容、开关电感等单元使用频率高，具有一定代表性。(1)开关电容倍压技术该单元早期应用于小功率场合，随着电力电子相关技术迅速发展，开始用于电光伏发电系统领域[18-20]。如图1.7所示，具有代表的三种开关电容单元，均由开关器件和电容组成，存在两种升压工作方式，一种是电容并联时进行储能，电容串联时进行方能。另一种工作方式为电容相互储能。一般连接在有源开关后位置，具有开关管电压应力小、结构对称、单元易于叠加的优势，电容串联时存在较大电流冲击，不易过多叠加使用。(a)(b)(c)图1.7开关电容单元Figure1.7Switchingcapacitorunit(2)开关电感倍压技术如图1.8所示，为三种常用开关电感单元，由开关器件和电感组成。该单元替换直流变换器中储能电感方式提高增益，一般串联在输入电流型变换器前级位置。工作原理与开关电容相似，遵循电感“并联储能，串联放能”原理升压。图1.8(a)为LDL型开关电感，能有效提高输出增益；图1.8(b)为LCL型开关电感，用电容替换LDL型中间二极管，相比LDL型单元，多一个储能电容，因此电压增益更高。但储能过程存在较大的冲击电流；图(c)为有源开关电感单元，工作原理相同，可以将开关管电压应力降为一半。(a)(b)(c)图1.8开关电感单元Figure1.8Switchinginductanceunit上述倍压单元普遍应用于传统DC-DC变换器中，下面分析常见的四种新型Boost变换器。图1.9(a)、(b)为开关电容型Boost变换器，开关管处于关断时，电容、储能，开关处于导通时，电容、向负载供能，以此提高电压增益[21]。图1.9(c)、(d)为开关电感Boost变换器，遵循电感“并联储能，串联放能”原理升压。有源开关两端电压降低，且电感电流较小，易于选用低电压功率器件和小体积电感，但在高电压等级要求场合该技术难以满足[22-23]。(a)开关电容Boost变换器(b)反极性开关电容Boost变换器(c)LDL开关电感Boost变换器(d)有源开关电感Boost变换器图1.9开关电容/开关电感Boost变换器Figure1.9SwitchedCapacitor/SwitchedInductanceBoostConverter5耦合电感技术为了满足更高电压要求，通过叠加上述单元方式显然不适合，会造成器件过多堆积。为此研究学者提出一种磁耦合升压方法，将隔离型变换器中变压器引入非隔离变换器中，通过调节变压器匝比和占空比数值大幅度提高电压增益，相对其他升压方法，器件使用相对较少，降低成本和损耗，提高增益更简单直接，图1.10为耦合电感变换器变换器示意图。传统Boost变换器结构简单，可靠性高。其电压增益为，只能通过调节占空比实现电压提升，但过大的占空比会增加开关管导通损耗，加重输出二极管反向恢复问题。为了解决电压增益小的问题，文献[66]在传统Boost变换器后级增加一个电感并与输入电感进行耦合，电压增益为，为变压器匝比，通过调节匝比就能大幅度提高电压增益，避免占空比数值过大。虽然解决电压增益低问题，但还存在以下问题：开关管仍是硬开关状态；变压器漏感易于功率器件寄生电容谐振，存在电压尖峰；输出二极管两端电压较大；耦合电感数值较大时，变压器体积大。针对上述问题，很多文献提出各种各样改进方案，主要通过钳位型、层叠型、耦合电感倍压单元型进行改进24-25]。各种耦合电感型拓扑层出不穷，对其内在联系没有准确、全面、系统的分析及总结。另外，耦合电感型变换器输入电流纹波过大，影响发电效率和电池寿命，文献[26]中引入耦合电感倍压单元结构，其输入电流纹波几乎是平均电流的两倍，严重影响发电效率。综上所述，提高电压增益方法繁多，其中采用耦合电感技术是一种