[发明专利]一种开关电容型多相高电压增益双向DC-DC变换器

说明书

本发明公开了一种开关电容型多相高电压增益双向DC‑DC变换器，属于DC‑DC变换器技术领域，本发明双向DC‑DC变换器主电路拓扑包括n个电感元件、3n‑1个开关管、n‑1个中间开关电容、n个高压侧电容、电源以及负载；其中，电感L₁通过开关管S₁直接连接到开关电容网络的中间电容C_fn‑1负极；电感L₂、L₃…L_n通过交错并联式连接实现多相扩展，同时n‑1开关电容网络通过阶梯式连接方式实现多相扩展；所述变换器通过开关电容结构不仅可以实现量的双向流动，还可以实现高电压增益，同时可以根据应用场合的输出电压需求选择适当相数，在满足高电压输出的同时可以减小开关器件电压应力；此外，本发明所述变换器控制方式不随相数增加发生改变，控制复杂度低，易于闭环控制器设计。

技术领域

本发明属于DC-DC变换器技术领域，具体涉及一种开关电容型多相高电压增益双向DC-DC变换器。

背景技术

近年来，随着碳排放治理工作的推进，新能源在全球范围得到了推广和应用。其中以光伏、风能发电技术为核心的直流微电网系统的应用最为广泛。在直流微电网系统中，需要通过储能系统对直流母线电压和输出功率进行优化，增强系统应对负载扰动的能力，确保系统的稳定运行。目前，电池储能是最稳定和应用最广泛的储能技术，但储能电池具有低电压(12-48V)大电流的特性。尽管通过将多个电池串联可以得到高电压，但当作为整个单元充电时，各串联电池模块需要保证参数基本一致，否则会产生充电不平衡问题，甚至可能发生爆炸或火灾。虽然使用并联多个蓄电池可以增强电源冗余并缓解由蓄电池串联引起的问题，但它们的输出电压相对较低。

因此，在直流微电网系统中，需要利用具有高电压增益的双向DC-DC变换器对电池进行升压，以匹配较高等级的直流母线电压保证系统输出电压和输出功率的稳定。同时考虑到多样化的应用领域和用户需求，除了高电压增益外，还需要考虑其他特性，如高效率、高功率密度、可扩展结构、开关管电压应力以及高压侧滤波电容的容量和耐压。

在现有高增益DC-DC变换器研究中，主要通过准Z源结构、耦合电感结构和开关电容结构实现高电压变比，其中，准Z源结构的升压变比较低，不适用于较高电压增益场合；耦合电感结构的漏感存在电压尖峰问题且会产生损耗；开关电容结构存在功率开关器件较多，控制复杂问题。

综上所述，研究出一种可以实现高电压增益、高效率、可扩展结构和控制复杂度低的高增益双向DC-DC变换器具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种开关电容型多相高电压增益双向DC-DC变换器，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种开关电容型多相高电压增益双向DC-DC变换器，该变换器的主电路拓扑包括n个电感元件L₁、L₂、L₃、…、L_n，3n-1个开关管S₁、S₂、S₃、…、S_n+1和S_Cf1、S_Cf2、S_Cf3、…、S_Cf2n-2，n-1个中间开关电容C_f1、C_f2、…、C_fn-1，n个高压侧电容C₁、C₂、C₃、…、C_n，电源V_high、V_low以及负载R_high、R_low；