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隨著全球環(huán)境污染和能源危機(jī)的加劇，太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)逆變并網(wǎng)，必須對(duì)其進(jìn)行高升壓比轉(zhuǎn)換（360~400V）。此外，為了盡可能達(dá)到光伏板的最大功率輸出，提高太陽(yáng)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。

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(shí)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(wú)法實(shí)現(xiàn)較高的電壓傳輸比。為此，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)如何提高變換器的電壓增益進(jìn)行了深入的研究。但文獻(xiàn)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(chǎng)景等問(wèn)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(duì)稱(chēng)型交錯(cuò)并聯(lián)耦合電感高增益DC-DC變換器。

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(diǎn)：①兩相電路完全對(duì)稱(chēng)，且自動(dòng)實(shí)現(xiàn)均流；②適合大功率應(yīng)用場(chǎng)景；③低輸入電流紋波；④可以通過(guò)開(kāi)關(guān)電容單元（Switched Capacitance Unit, SCU）個(gè)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)電壓增益，并進(jìn)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(jí)、高性能的半導(dǎo)體器件來(lái)提高變換器的效率。同時(shí)，可以通過(guò)耦合電感的匝數(shù)比來(lái)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(duì)無(wú)源鉗位電路（Passive Clamping Circuit, PCC）進(jìn)行了復(fù)用，既可以吸收耦合電感漏感的能量，降低開(kāi)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(kuò)展至n個(gè)，避免了在實(shí)現(xiàn)高電壓增益轉(zhuǎn)換時(shí)，耦合電感匝比過(guò)高導(dǎo)致漏感過(guò)大的問(wèn)題。最后，研究人員搭建了一臺(tái)1kW的樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該變換器拓?fù)涞目尚行约皟?yōu)越性。

圖2 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

圖3 變換器功率損耗分布

圖4 效率曲線(xiàn)

理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提變換器具有以下特點(diǎn)：

• 1）采用交錯(cuò)并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，一方面擴(kuò)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(duì)稱(chēng)，且相互耦合，能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)均流，不存在功率失衡問(wèn)題。
• 3）既可以通過(guò)改變耦合電感的匝數(shù)比來(lái)調(diào)節(jié)電壓增益，又能夠增減SCU個(gè)數(shù)來(lái)進(jìn)行輔助調(diào)壓，提高了變換器的靈活性。
• 4）電壓增益較高，開(kāi)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(kāi)關(guān)管來(lái)降低導(dǎo)通損耗和成本，提高變換器效率。

鑒于以上特點(diǎn)，研究人員認(rèn)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(chǎng)景，如分布式發(fā)電系統(tǒng)和電動(dòng)汽車(chē)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(bào)》，論文標(biāo)題為“基于耦合電感的對(duì)稱(chēng)式交錯(cuò)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。