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諧振電感式升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì)

454398 ? 來(lái)源:powerelectronicsnews ? 作者:powerelectronicsnews ? 2021-03-23 16:13 ? 次閱讀

在電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車中,電壓轉(zhuǎn)換范圍從非常低的(0.8 V)到非常高的電壓(450至800 V)不等。這激發(fā)了開發(fā)新技術(shù)來(lái)生產(chǎn)DC / DC轉(zhuǎn)換器的興趣,這些技術(shù)不僅高效且可為特定應(yīng)用提供精確的值,而且功耗也較小。對(duì)于高電壓增益,使用LC諧振回路,該回路的缺點(diǎn)是取決于負(fù)載,并且還會(huì)產(chǎn)生無(wú)功電流,從而降低了效率。2為了克服此缺點(diǎn),使用了匝數(shù)多的變壓器來(lái)獲得高電壓增益。3,4大量匝數(shù)會(huì)引入較大的泄漏電流,從而導(dǎo)致電壓下降,從而降低轉(zhuǎn)換的電壓增益。盡管可以使用串聯(lián)電容器來(lái)補(bǔ)償電壓降,但這是實(shí)現(xiàn)高電壓增益的困難方法。5,6在本文中,我們將討論具有非常高的電壓增益的諧振電感式升壓DC / DC轉(zhuǎn)換器。它們具有一個(gè)單開關(guān)諧振逆變器,該逆變器向變壓器提供高頻交流電壓,以及一個(gè)Cockcraft-Walton(CW)乘法器,該乘法器對(duì)變壓器的輸出進(jìn)行整流并將其升壓至高直流電壓。

變流器的電路及工作

圖1顯示了諧振電感式升壓DC / DC轉(zhuǎn)換器的電路圖。它包括三個(gè)部分。第一部分稱為諧振逆變器,它由一個(gè)電感器,一個(gè)開關(guān)和一個(gè)電容器組成。第二部分是感應(yīng)升壓,它具有一個(gè)電容器和一個(gè)空心變壓器。變壓器的初級(jí)和次級(jí)之間的匝數(shù)比為“ n”,耦合系數(shù)為“ k”。因此,變壓器可實(shí)現(xiàn)的增益由公式n / k給出。這有助于克服變壓器松耦合的缺點(diǎn),并允許高電壓增益。1個(gè)最后一部分包含CW整流器。它由多個(gè)電容器和二極管組成。該部分將來(lái)自變壓器的交流輸出整流并升壓為高直流電壓輸出。

首先,打開單開關(guān)諧振逆變器以產(chǎn)生AC波形,然后通過(guò)電感器以減少輸入電壓的波動(dòng),以提供連續(xù)的電流源。1在開關(guān)S接通之前,AC波形達(dá)到0,這將啟用零電壓開關(guān)(ZVS)。在ZVS操作中,在接通開關(guān)之前,電容器會(huì)并聯(lián)使電壓諧振為0。然后,將此交流電壓提供給空心變壓器,從而放大其幅度。然后,放大的交流電壓通過(guò)CW倍增器,它將放大的交流電壓整流為非常高的直流電壓。通過(guò)計(jì)算正確的電感升壓電路元件值,我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)具有非常高且與負(fù)載無(wú)關(guān)的電壓增益的轉(zhuǎn)換器。

圖1:諧振電感式升壓DC / DC轉(zhuǎn)換器的電路圖

設(shè)計(jì)指標(biāo)

在共振感應(yīng)升壓中,最重要的成分是共振成分。在基于PWM的常規(guī)DC / DC轉(zhuǎn)換器中,應(yīng)以相同的方式選擇Lf和CW整流器中的電容器之類的組件。7所提議的DC / DC轉(zhuǎn)換器中的L1,L2,Cr,Cf和k之類的諧振分量負(fù)責(zé)兩件事:

  • 開關(guān)的ZVS操作
  • 與負(fù)載無(wú)關(guān)的電壓增益

為我們的原型選擇的這些組件的價(jià)值如下:

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

原型與效率

圖2顯示了諧振電感式升壓DC / DC轉(zhuǎn)換器的原型。的規(guī)格是9伏的輸入電壓和800 V的輸出電壓,以500kHz的開關(guān)頻率和45瓦的功率消耗1個(gè)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明,在8.57-V輸入時(shí),輸出電壓為753.23 V,其中約為輸入電壓的87.9倍。開關(guān)的電壓應(yīng)力為輸出電壓的4%,約為30V。低應(yīng)力電壓意味著更高效率和成本效益的轉(zhuǎn)換器。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明,在低輸入電壓下,由于CW整流器中的壓降,轉(zhuǎn)換器的效率也很低,但隨著輸入電壓的增加,轉(zhuǎn)換器的效率趨于增加。例如,在1V輸入下,效率約為75%,隨著輸入電壓的增加,效率提高到85%。在6.57 V時(shí)可實(shí)現(xiàn)最大效率,其中輸出電壓為560.29 V,效率為87.9%。1個(gè)

圖2:諧振電感式升壓DC / DC轉(zhuǎn)換器的原型

分析與結(jié)論

諧振電感式升壓DC / DC轉(zhuǎn)換器是一個(gè)復(fù)雜的電路,但提供了與負(fù)載無(wú)關(guān)的高DC電壓。該文章將電壓的高增益可視化,并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明,可以實(shí)現(xiàn)89%的效率。它也表明電壓有89倍的增益,并且有一個(gè)低輸入電壓,可以提高轉(zhuǎn)換器的性能。這項(xiàng)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)工作表明,諧振感應(yīng)技術(shù)可用于不同的應(yīng)用,并且需要非常低的輸入。它允許兩步提升輸入電壓,并通過(guò)增加電流來(lái)提高變壓器的性能。主開關(guān)具有完美的ZVS操作,以執(zhí)行整個(gè)電感諧振技術(shù)。它可以用于不同的應(yīng)用,尤其是在電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車中,因?yàn)樗鼈冃枰唠娖降碾妷恨D(zhuǎn)換來(lái)為發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。它也可以用于電動(dòng)汽車的充電系統(tǒng)。

參考

1香港大學(xué)電氣與電子工程系李克瑞,譚秀重和羅樹源慧。

2K. Li,SC Tan和A. Ioinovici,“在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)具有高升壓轉(zhuǎn)換比和ZVS的直流移相諧波升壓諧振DC / DC轉(zhuǎn)換器”,Proc。2019 IEEE應(yīng)用功率電子會(huì)議暨展覽會(huì)(APEC),美國(guó)加利福尼亞州阿納海姆,2019年,第1307–1312頁(yè)。

3S. Park,L。Gu和J. Rivas-Davila,“使用多級(jí)DE整流器的60 V至35 kV輸入并聯(lián)輸出系列DC / DC轉(zhuǎn)換器”,Proc。2018 IEEE應(yīng)用功率電子會(huì)議暨展覽會(huì)(APEC),德克薩斯州圣安東尼奧市,2018年,第2235–2241頁(yè)。

4M. Nymand和MAE Andersen,“用于大功率低壓燃料電池應(yīng)用的高效隔離式升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器”,IEEE Trans Ind。Electron。,第1卷。57號(hào)2,第505-514頁(yè),2010年2月。

5X. Sun,Y。Shen,Y。Zhu和X. Guo,“具有固定頻率pwm控制的交錯(cuò)式Boostintegrated LLC諧振轉(zhuǎn)換器,可再生能源發(fā)電應(yīng)用”,IEEE Trans。電力電子,卷。30號(hào)2015年8月,第8頁(yè),第4312至4326頁(yè)。

6Y. Shen,H。Wang,Z。Shen,Y。Yang和F. Blaabjerg,“具有用于光伏微逆變器的雙模整流器的1-MHz串聯(lián)諧振DC-DC轉(zhuǎn)換器”,IEEE Trans。電力電子,卷。34號(hào)7,第6544–6564頁(yè),2019年7月。

編輯:hfy

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