[发明专利]基于开关电容和耦合电感的高电压增益双向DC-DC变换器

说明书

技术领域

本发明涉及高电压增益和双向直流-直流变换器技术领域，是一种新型的具有电路结构简单、开关器件电压/电流应力低、较高效率、可以实现升压比灵活拓展的电路。

背景技术

随着传统化石能源(如石油、煤炭、天然气等)的迅速消耗，以及由此带来的世界能源危机和环境污染等问题的日益加剧，合理开发和利用绿色可再生能源已成为人类的迫切需要。随着传统化石能源(如石油、煤炭、天然气等)的迅速消耗，以及由此带来的世界能源危机和环境污染等问题的日益加剧，合理开发和利用绿色可再生能源已成为人类的迫切需要。对于可再生能源而言，太阳能光伏发电、风力发电和燃料电池动力系统受到了人们越来越多的重视，而如何将这些新能源并网发电，变换为用户可以直接利用的电能，是分布式发电领域主要的研究方向。储能装置在分布式可再生能源并网发电系统中扮演至关重要的角色，为了解决储能装置并联时的低电压和并网所需高电压之间的电压水平不匹配问题，需要用到高电压增益型双向DC-DC储能变换器。

正是上述需求使得高电压增益、高效率及较大功率双向DC-DC变换器研究工作变得紧迫，并具有重要的工业实用价值。近年来，国内外的许多学者和专家就如何实现高增益、高效率、较大功率的能量变换，在隔离型和非隔离型DC-DC变换器领域进行了大量的研究工作，并取得了一定的研究成果。其主要的相关研究成果分别叙述如下：

传统的高电压增益电路拓扑主要包括高频隔离拓扑，开关电容或开关电感拓扑，耦合电感拓扑和基于电容-二极管的倍压拓扑等。其中，有研究针对隔离型双向DC-DC变换器的结构特点分别提出了一种新型零电压开关双向DC-DC变换器和单端正激带同步整流技术的双向DC-DC变换器，此类隔离型双向DC-DC变换器由于拓扑结构中变压器的存在，虽然能够实现大变换比的功能，但其体积和成本较大，且易出现磁饱和现象，因而在一些储能系统中并不适用；针对非隔离拓扑，有研究提出了一种非隔离双向直流变换器，该电路在引入了一个耦合电感后，消除了开关器件寄生体二极管的反向恢复问题，但该变换器并没有解决输入/输出电流纹波大的问题。同时，在非隔离变换器拓扑中，开关电容变换器由于具有重量轻、功率密度高等优点而被广泛采用。然而，开关电容充/放电过程中各功率器件上存在较大的电流冲击，为了解决这个问题，研究人员提出了一类升压型开关电容谐振变换器，后来又提出了一种基于开关电容的双向谐振变换器。上述方案，可以实现高电压增益和零电流软开关，但是，极大的输入电流纹波，使得这些拓扑仅适用于小功率应用场合。

近年来，低压、大功率电源系统的广泛使用使得交错并联技术得到了快速的发展。交错并联技术因其具有低电流纹波、易于电磁干扰设计、动态响应快等特点而常被应用于一些电流较大的场合。目前已有较多研究在燃料电池和电动汽车等不同领域应用了交错并联技术，其主要原因是因为交错并联技术应用于双向DC-DC变换器中不仅可以有效地降低变换器开关器件的开关电流应力与输入/输出电流的纹波，还有益于提高变换器的动态响应及变换器的效率。从诸多文献来看，传统的交错并联结构双向DC-DC变换器虽然具有结构简单，可靠性高等特点，但该电路存在以下缺点：

①开关器件电压应力为高压侧电压V_H，当V_H较高时不利于开关器件的选取；

②各模块电感电流不能自动均流，需进行均流处理；

③在一些输入输出电压变换比大的场合，开关器件需要工作在极端占空比状态，不利于变换器效率的提高，且限制了开关器件工作频率的提升。

2013年重庆大学提出了一种带开关电容网络的两相交错并联型高增益Boost变换器，并对其工作原理和各功率开关器件电压应力进行了分析。在此基础上提出了一种基于开关电容的2相交错并联双向变换器，能够减小输入电流纹波和开关器件电压应力，并实现能量的双向流动。但较大的电感量和输入、输出滤波电容导致其自动均流的动态特性较差，变换器易出现电流尖峰甚至失稳，另外其升压/降压模式下其最高效率仅91％和90％。

根据上述问题，高电压增益双向DC-DC变换器还需进一步提高变换器的电压增益、效率和功率密度，减小功率器件的电压/电流应力。

发明内容