[发明专利]基于开关电容的输入交错并联软开关高电压增益DC-DC变换器

说明书

本申请公开了一种基于开关电容的输入交错并联软开关高电压增益DC‑DC变换器，包括多个二极管‑电容‑电感单元、输入电感、开关管、电容以及输入电源和负载，通过一定的连接方式使变换器具有非极端占空比下的高电压增益能力和可拓展性，通过增加二极管‑电容‑电感单元的数量可进一步提高电压增益；输入端交错并联结构分散了输入电流应力，降低了输入电流纹波，有利于提高光伏或燃料电池等可再生能源电源的利用率和寿命；输入电感电流可实现自动均流，不需要额外的均流控制；开关管和二极管电压应力低；所有开关管均能实现零电压开通，所有二极管的关断电流下降速度被有效降低，实现软关断，有效降低变换器开关损耗；输入和输出具有共地连接。

技术领域

本申请涉及电力电子功率变换器技术领域，特别涉及一种基于开关电容的输入交错并 联软开关高电压增益DC-DC变换器。

背景技术

发展可再生能源是解决化石能源危机和环境污染问题的重要途径。光伏(photovoltaic， PV)和燃料电池(Fuel Cell，FC)是两种具有广阔发展前景的可再生能源形式。PV模块和FC 电堆的输出电压较低，硅晶体PV模块的最大功率点电压一般在20～50V之间，而1kW的 FC电堆输出电压通常不高于50V。在PV和FC并网发电系统中，通常需要高电压增益 DC-DC变换器将PV模块和FC电堆的输出电压抬升到380～400V，与后级并网逆变器或直 流微网母线相连接。在燃料电池汽车中，FC电堆同样需要通过DC-DC变换器为后级蓄电 池供电，而蓄电池的电压远高于FC电堆输出电压。在这些场合中，高电压增益DC-DC变换器都发挥着重要作用。一般情况下希望高电压增益DC-DC变换器具备以下特性：(1)高 电压增益，很多场合要求电压增益在10倍及以上；(2)高效率，最大限度提高电能利用率， 并简化电力电子设备的散热需求；(3)连续的电压调节能力，绝大部分应用场合要求变换器在输入电压或负载功率变化时具备良好的稳压能力；(4)低输入电流纹波，有利于提高PV或FC等可再生能源电源的利用率和寿命；(5)输入输出具有共地连接，有利于无变压器的非隔离PV并网发电系统的共模干扰抑制。

传统的Boost变换器在实现高电压增益时受到极端占空比限制，开关管和二极管的电 压和电流应力都很高，效率损失严重。磁耦合器件(耦合电感或变压器)经常被用来提升 DC-DC变换器的电压增益，但是高匝比的磁耦合器件损耗较高，体积和重量上存在劣势，且不易制造。常见的变压器隔离型DC-DC变换器均为电压馈电型变换器，输入电流纹波大，输入滤波电容电流应力大，不适用于对电流纹波要求较高的可再生能源场合。

开关电容(switched-capacitor，SC)变换器是一种具有良好发展前景的升压技术，近年 来受到了大量的关注。传统的SC变换器仅由开关器件和电容组成，不包含磁性器件，具 有重量轻、功率密度高和易于集成等优势。而且SC变换器具有良好的可拓展性，可以通 过增加SC单元数量来有效提高电压转换比。但是传统SC变换器存在电荷再分配损耗和电 流尖峰问题，而且其电压转换比主要由拓扑本身决定，很难同时实现高效率和连续的电压 调节能力。所以传统的SC变换器只适用于小功率或者固定电压变比的场合，功率等级和应用范围受到明显限制。为了消除电荷再分配损耗和电流尖峰问题，很多文献提出谐振型SC变换器，通过在SC电路中插入谐振电感使电容的充放电电流变为正弦波形式，所有开 关器件均能实现零电流(zero-current switching，ZCS)开通，有效降低开关损耗，并提高 电容的利用率。然而，谐振型SC变换器的电压转换比仍然是固定的，并且谐振过程对于 谐振参数非常敏感，实际应用中不易控制。另一种方案是将传统的Boost、Buck等基于电 感的PWM变换器与SC电路相结合，产生混合型SC变换器，可以使用PWM技术实现连 续无损调压，但是混合SC变换器不能完全解决电荷再分配损耗和电流尖峰问题，而且开 关器件工作在硬开关状态，开关损耗高，限制了变换器效率的提升。