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  • 頭條華南理工科研團隊提出新型變換器,適合分布式發(fā)電和電動汽車領(lǐng)域
    2021-09-06 作者:丁杰 高雙 等  |  來源:《電工技術(shù)學(xué)報》  |  點擊率:
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    導(dǎo)語華南理工大學(xué)電力學(xué)院的研究人員丁杰、高雙、趙世偉、尹華杰,在2021年第7期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文,針對高電壓增益、大功率應(yīng)用場景,提出一種基于耦合電感的對稱式交錯并聯(lián)DC-DC變換器。實測變換器樣機的最高效率為97.34%,滿載時(1kW)效率為94.64%。

    隨著全球環(huán)境污染和能源危機的加劇,太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿惹鍧嵖稍偕茉幢粚W(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛關(guān)注。而在以新能源為首的光伏發(fā)電系統(tǒng)中,由于光伏板的電壓較低(30~60V),為了實現(xiàn)逆變并網(wǎng),必須對其進行高升壓比轉(zhuǎn)換(360~400V)。此外,為了盡可能達到光伏板的最大功率輸出,提高太陽能的利用率,變換器應(yīng)具有低輸入電流紋波的特性。因此,研究具有高效、高增益、低輸入電流紋波的DC-DC變換器具有重要的意義。

    華南理工科研團隊提出新型變換器,適合分布式發(fā)電和電動汽車領(lǐng)域

     

    傳統(tǒng)Boost變換器雖然理論上能夠?qū)崿F(xiàn)較高的電壓增益,但由于實際電路中元器件的非理想特性及寄生參數(shù)等影響,即使占空比趨近于1,也無法實現(xiàn)較高的電壓傳輸比。為此,國內(nèi)外研究學(xué)者針對如何提高變換器的電壓增益進行了深入的研究。但文獻研究顯示,這些方法存在變換器效率和可靠性低、電壓增益有限、不適合大功率應(yīng)用場景等問題。

    因此,華南理工大學(xué)電力學(xué)院的研究人員提出了一種新型DC-DC變換器。該變換器是在圖1有關(guān)學(xué)者提出的變換器基礎(chǔ)上增加第二繞組,形成了一種對稱型交錯并聯(lián)耦合電感高增益DC-DC變換器。

    華南理工科研團隊提出新型變換器,適合分布式發(fā)電和電動汽車領(lǐng)域

    圖1 有關(guān)學(xué)者提出的變換器

    本變換器保留了原有變換器的特點:①兩相電路完全對稱,且自動實現(xiàn)均流;②適合大功率應(yīng)用場景;③低輸入電流紋波;④可以通過開關(guān)電容單元(Switched Capacitance Unit, SCU)個數(shù)來調(diào)節(jié)電壓增益,并進一步提高了電壓增益,降低了功率器件的電壓應(yīng)力。因此,可以采用低電壓等級、高性能的半導(dǎo)體器件來提高變換器的效率。同時,可以通過耦合電感的匝數(shù)比來調(diào)節(jié)電壓增益,提高了變換器的靈活性。

    其電路結(jié)構(gòu)對無源鉗位電路(Passive Clamping Circuit, PCC)進行了復(fù)用,既可以吸收耦合電感漏感的能量,降低開關(guān)管的漏感電壓尖峰,又作為倍壓電路,提高了電壓增益。將SCU擴展至n個,避免了在實現(xiàn)高電壓增益轉(zhuǎn)換時,耦合電感匝比過高導(dǎo)致漏感過大的問題。最后,研究人員搭建了一臺1kW的樣機進行驗證,實驗結(jié)果驗證了該變換器拓撲的可行性及優(yōu)越性。

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    圖2 實驗樣機

    華南理工科研團隊提出新型變換器,適合分布式發(fā)電和電動汽車領(lǐng)域

    圖3 變換器功率損耗分布

    華南理工科研團隊提出新型變換器,適合分布式發(fā)電和電動汽車領(lǐng)域

    圖4 效率曲線

    理論分析和實驗結(jié)果表明所提變換器具有以下特點:

    • 1)采用交錯并聯(lián)的結(jié)構(gòu),一方面擴大了變換器的容量,另一方面降低了輸入電流紋波。
    • 2)兩相電路完全對稱,且相互耦合,能夠自動實現(xiàn)均流,不存在功率失衡問題。
    • 3)既可以通過改變耦合電感的匝數(shù)比來調(diào)節(jié)電壓增益,又能夠增減SCU個數(shù)來進行輔助調(diào)壓,提高了變換器的靈活性。
    • 4)電壓增益較高,開關(guān)管電壓應(yīng)力較低,可采用低電壓應(yīng)力、低導(dǎo)通電阻的開關(guān)管來降低導(dǎo)通損耗和成本,提高變換器效率。

    鑒于以上特點,研究人員認為該新型變換器非常適用于高電壓增益、低輸入電流紋波的大功率應(yīng)用場景,如分布式發(fā)電系統(tǒng)和電動汽車等領(lǐng)域。

    以上研究成果發(fā)表在2021年第7期《電工技術(shù)學(xué)報》,論文標(biāo)題為“基于耦合電感的對稱式交錯并聯(lián)低輸入電流紋波高增益DC-DC變換器”,作者為丁杰、高雙、趙世偉、尹華杰。