[发明专利]交错二极管电容网络高增益ZVT直流变换器及辅助电路

说明书

本发明公开了一种交错二极管电容网络高增益ZVT直流变换器及辅助电路，所述ZVT辅助电路包括第一辅助电路、第二辅助电路以及谐振电感，第一辅助电路包括第一辅助开关管和第一辅助二极管，第二辅助电路包括第二辅助开关管和第二辅助二极管，第一辅助电路和第二辅助电路共用一个谐振电感，用于实现直流变换器中第一可控开关管和第二可控开关管的ZVS开通和关断，同时第一辅助开关管和第二辅助开关管实现ZCS开通，所有二极管实现ZCS关断。在实现高效率、高功率密度的同时具备可扩展的高电压增益、低输入电流纹波、低电压应力、宽范围软开关以及参数设计简单的特性。

技术领域

本发明属于变换器领域，特别涉及一种交错二极管电容网络高增益ZVT直流变换器及辅助电路。

背景技术

由于化石燃料的耗竭和环境污染，新能源的关注度日益上升。而新能源中光伏和燃料电池技术由于其适用地域范围广，建设周期短并且清洁无污染因而成为未来户用型新能源发电的理想方式。但是这两种能源均存在输出电压低且宽范围波动的显著特性，因此需要前级高增益直流变换器进行升压变换的同时保证直流母线电压稳定，进而通过并网逆变器接入电网。

当前所面临的主要技术挑战就是如何以最少的功率器件和无源元件来应对输入大电流和输出高电压。输入并输出串LLC或双有源桥变换器是实现高增益和高效率的首选解决方案。但是，模块间的均压均流协调控制显著增加了系统成本和复杂度，使其更适于大功率应用。在不要求强制隔离的应用中，非隔离式DC-DC变换器具有实现更高的效率和功率密度的潜在优势。其中两相交错式升压二极管电容(TIBD)变换器是由两相交错boost输入和二极管电容升压单元(VMC)两部分组成，该类变换器都具有相似的优异性能。交错boost输入部分使得输入电流连续且纹波降低，可控开关管的电流应力减小，而二极管电容升压单元实现高增益的同时降低所有半导体器件的电压应力，从而可以使用低通态电阻功率器件降低导通损耗。此外，较少的磁性元件可以实现高功率密度集成。然而对于TIBD变换器来说，随着半导体器件数量的增加，硬开关会引起较高的功率损耗和严重的电磁干扰，软开关的实现尤为必要。与使用变压器漏感自然实现软开关的隔离式DC-DC变换器不同，TIBD变换器中的所有电感电流和电容电压都是恒定的直流分量，不存在电压电流过零点，因此软开关实现困难。现有针对TIBD变换器的软开关解决方案更多局限于一个特定的TIBD拓扑，缺乏为该类性能优异的拓扑系统性的软开关设计方案。

与零电流开关相比，零电压开关更适于应用MOSFET或GaN的高频功率变换器。最简单直接的方法是临界导通模式，设计一个小的升压电感从而在一个开关周期结束时实现电流回零。但是，高的峰均电流比和输入纹波限制了其在极低功率变换中的应用。对于准谐振TIBD变换器，将小电感插入到开关电容网络中，然后以小谐振电容替换大电容。但此时由谐振电容传输至负载的能量有限，电压增益较低。与ZVS方法不同，ZVT拓扑将辅助支路从主电路中移除，并且仅在主开关切换时动作。因此，额外的电压应力和功率损耗很小。虽然已有用于TIBD变换器的ZVT方法，但每种方法仅适于特定的拓扑，并且ZVS范围受限并随不同的谐振参数变化而变化。

交错非隔离型二极管电容网络高增益直流变换器采用双boost电路交错工作方式，有助于减小输入电流纹波，提高燃料电池和光伏板使用寿命。二极管电容网络的高增益特性使得半导体器件电压应力大大减小，低压开关管在减小电路成本和导通损耗的同时能够提高电路的效率。磁件和开关管数量减少有利于降低电路体积、减小驱动成本，具有高功率密度的优势。但该类变换器的硬开关工作方式限制了该类变换器的开关频率的进一步提升，功率密度受限，无法实现小型化和轻量化的目标。

发明内容

本发明的目的在于提出一种交错二极管电容网络高增益ZVT直流变换器及辅助电路，在实现高效率、高功率密度的同时具备可扩展的高电压增益、低输入电流纹波、低电压应力、宽范围软开关以及参数设计简单的特性。

实现本发明目的的技术解决方案为：