华南理工学者提出新型DC-DC变换器，适用于分布式发电和电动汽车等领域

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华南理工大学电力学院的研究人员丁杰、高双、赵世伟、尹华杰，在2021年第7期《电工技术学报》上撰文，针对高电压增益、大功率应用场景，提出一种基于耦合电感的对称式交错并联DC-DC变换器。实测变换器样机的最高效率为97.34%，满载时（1kW）效率为94.64%。

随着全球环境污染和能源危机的加剧，太阳能、风能、地热能等清洁可再生能源被学术界和工业界广泛关注。而在以新能源为首的光伏发电系统中，由于光伏板的电压较低（30~60V），为了实现逆变并网，必须对其进行高升压比转换（360~400V）。此外，为了尽可能达到光伏板的最大功率输出，提高太阳能的利用率，变换器应具有低输入电流纹波的特性。因此，研究具有高效、高增益、低输入电流纹波的DC-DC变换器具有重要的意义。

传统Boost变换器虽然理论上能够实现较高的电压增益，但由于实际电路中元器件的非理想特性及寄生参数等影响，即使占空比趋近于1，也无法实现较高的电压传输比。为此，国内外研究学者针对如何提高变换器的电压增益进行了深入的研究。但文献研究显示，这些方法存在变换器效率和可靠性低、电压增益有限、不适合大功率应用场景等问题。

因此，华南理工大学电力学院的研究人员提出了一种新型DC-DC变换器。该变换器是在图1有关学者提出的变换器基础上增加第二绕组，形成了一种对称型交错并联耦合电感高增益DC-DC变换器。

图1 有关学者提出的变换器

本变换器保留了原有变换器的特点：①两相电路完全对称，且自动实现均流；②适合大功率应用场景；③低输入电流纹波；④可以通过开关电容单元（Switched Capacitance Unit, SCU）个数来调节电压增益，并进一步提高了电压增益，降低了功率器件的电压应力。因此，可以采用低电压等级、高性能的半导体器件来提高变换器的效率。同时，可以通过耦合电感的匝数比来调节电压增益，提高了变换器的灵活性。

其电路结构对无源钳位电路（Passive Clamping Circuit, PCC）进行了复用，既可以吸收耦合电感漏感的能量，降低开关管的漏感电压尖峰，又作为倍压电路，提高了电压增益。将SCU扩展至n个，避免了在实现高电压增益转换时，耦合电感匝比过高导致漏感过大的问题。最后，研究人员搭建了一台1kW的样机进行验证，实验结果验证了该变换器拓扑的可行性及优越性。

图2 实验样机

图3 变换器功率损耗分布

图4 效率曲线

理论分析和实验结果表明所提变换器具有以下特点：

• 1）采用交错并联的结构，一方面扩大了变换器的容量，另一方面降低了输入电流纹波。

• 2）两相电路完全对称，且相互耦合，能够自动实现均流，不存在功率失衡问题。

• 3）既可以通过改变耦合电感的匝数比来调节电压增益，又能够增减SCU个数来进行辅助调压，提高了变换器的灵活性。

• 4）电压增益较高，开关管电压应力较低，可采用低电压应力、低导通电阻的开关管来降低导通损耗和成本，提高变换器效率。

鉴于以上特点，研究人员认为该新型变换器非常适用于高电压增益、低输入电流纹波的大功率应用场景，如分布式发电系统和电动汽车等领域。

以上研究成果发表在2021年第7期《电工技术学报》，论文标题为“基于耦合电感的对称式交错并联低输入电流纹波高增益DC-DC变换器”，作者为丁杰、高双、赵世伟、尹华杰。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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