諧振電感式升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì)

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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)單開(kāi)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(kāi)關(guān)S接通之前，AC波形達(dá)到0，這將啟用零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）。在ZVS操作中，在接通開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(shù)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。

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