基于脉冲频率调制的高增益隔离型软开关直流变换器
软开关高增益准YZ源DC-DC变换器
软开关高增益准YZ源DC-DC变换器
李海滨;颜胥;翁雨森;林佳奇;金涛
【期刊名称】《中国电机工程学报》
【年(卷),期】2024(44)11
【摘要】针对新能源发电系统中所需要的高升压非隔离变换器升压能力不足问题,文中基于Y源变换器和准Z源变换器的优点,提出一种软开关高增益准YZ源DC-DC变换器。
所提变换器不仅提高了升压能力,还能够有效吸收漏感产生的电压尖峰。
除此之外,应用同步整流技术,使得开关管和二极管工作在软开关条件,提升了转换效率。
此外,所提变换器由于电源输入端连接的是单个电感,输入电流连续,电流纹波小。
不仅如此,提出的变换器还具备开关管电压应力低、输入输出电压共地等优点。
首
先对所提变换器的工作模态和稳态进行分析;其次定量计算效率以及损耗分布;将所
提变换器的性能与其他变换器进行对比,并明确设计要求;最后通过实验室制作的样机,验证所提变换器的有效性。
【总页数】12页(P4435-4445)
【作者】李海滨;颜胥;翁雨森;林佳奇;金涛
【作者单位】福州大学电气工程与自动化学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM46
【相关文献】
1.一种高增益双向准Y源DC-DC变换器
2.基于耦合电感的低电压应力高增益软开关DC-DC变换器
3.具有软开关特性的串联电容型高频高增益双向DC-DC变换器
4.一种低输入电流纹波高增益软开关DC-DC变换器
5.一种交错并联高增益软开关DC-DC变换器
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基于脉冲频率调制的高增益隔离型软开关直流变换器
基于脉冲频率调制的高增益隔离型软开关直流变换器章治国;刘俊良;郭强;陈艳【摘要】提出一种基于脉冲频率调制 (PFM) 的高增益隔离型软开关直流变换器, 该变换器在反激变换器基础上, 集成了有源钳位单元和准倍压结构, 在实现高增益的同时, 所有功率管均具有软开关的特性, 且电路结构简单.与脉宽调制 (PWM) 方式相比, 采用PFM的控制方式进一步降低了功率管上的电流应力, 有助于提升变换器效率.详细分析PFM方式下的高增益软开关变换器拓扑的工作原理及其特性, 并对PFM和PWM的策略及特性分别进行分析比较, 最后搭建一台160W、45V/380V的实验样机, 验证了理论分析的正确性和有效性.%A high step-up isolated soft-switching DC/DC converter with pulse frequency modulation (PFM) was presented in this paper.The converter integrates a flyback converter with active clamp and similar voltage multiplier cells, and all the transistors have soft-switching.The structure of this proposed converter is simple and easy to achieve high voltage gain.At the same time, compared with the pulse width modulation (PWM) mode, the control mode of PFM modulation further reduces the power tube on the current stresses, which helps to improve the converter's efficiency.The operation principles and characteristics of the proposed converter were analyzed in detail, and the two control strategies were compared.Finally, a 160 W, 45V/380 V laboratory prototype circuit was implemented to verify the effectiveness and accuracy of the theoretical analysis.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2019(034)002【总页数】10页(P296-305)【关键词】高增益;软开关;脉冲频率调制;零电压开通;零电流关断【作者】章治国;刘俊良;郭强;陈艳【作者单位】重庆理工大学重庆市能源互联网工程技术研究中心,重庆 400054;重庆邮电大学自动化学院,重庆 400065;重庆邮电大学自动化学院,重庆 400065;重庆理工大学重庆市能源互联网工程技术研究中心,重庆 400054;重庆理工大学重庆市能源互联网工程技术研究中心,重庆 400054【正文语种】中文【中图分类】TM46随着能源危机和环境问题的日益突出，越来越多的国家已致力于发展新型绿色能源。
基于开关电容的软开关高电压增益DC-DC变换器
基于开关电容的软开关高电压增益DC-DC变换器雷浩东;郝瑞祥;游小杰;项鹏飞【摘要】In this paper, a switched-capacitor based DC-DC converter topology with high voltage gain and soft-switching character is presented. The proposed topology can achieve high voltage gain without operating the switches at extreme duty cycle and has PWM voltage regulation ability similar to conventional Boost converter. Through resonant soft-switching technique, zero-voltage switching (ZVS) turn-on of all switches and zero-current switching (ZCS) turn-off of all diodes are achieved, which is useful to improve the efficiency and power density of the converter. The voltage stresses of switches and diodes are low, so low voltage level and low on-resistance devices can be adopted to reduce the conduction losses. The operation principle of the proposed topology was analyzed in detail, and the steady-state characteristics were analyzed, including voltage gain characteristics and soft-switching operating conditions. Finally, a prototype converter with 25-40V input and 400V/1kW output was established, and the experimental results verified the theoretical analysis.%提出一种基于开关电容的具有高电压增益和软开关特性的DC-DC变换器拓扑.该拓扑能够在非极端占空比条件下实现高电压增益,并具有类似于传统Boost变换器的PWM电压调节能力.通过谐振软开关技术,实现所有开关管的零电压开通和所有二极管的零电流关断,有利于提高变换器的效率和功率密度.变换器中开关管和二极管承受的电压应力低,允许选择低电压等级、低导通电阻的器件.详细分析变换器拓扑的基本工作原理,对变换器电压增益特性和软开关实现条件等稳态工作特性进行研究.最后,搭建一台输入25~40V、输出400V/1kW的实验样机,对理论分析进行实验验证.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2018(033)012【总页数】10页(P2821-2830)【关键词】开关电容;高电压增益;谐振电感;软开关;DC-DC变换器【作者】雷浩东;郝瑞祥;游小杰;项鹏飞【作者单位】北京交通大学电气工程学院北京 100044;北京交通大学电气工程学院北京 100044;北京交通大学电气工程学院北京 100044;北京交通大学电气工程学院北京 100044【正文语种】中文【中图分类】TM460 引言高电压增益 DC-DC变换器在光伏发电系统、燃料电池系统以及通信电源等许多工业应用场合发挥着关键作用[1-3]。
基于MOSFET的小功率双向变换DC-DC变换器设计
第40卷第5期2021年5月Vol.40 No.5May. 202]绵阳师范学院学报Journal of Mianyang Teachers ” CollegeDOI : 10.16276/kixn51- 1670/g.2021.05.006基于MOSFET 的小功率双向变换DC-DC 变换器设计谢驰1,孙幸临1,刘影（1.四川大学锦城学院智能制造学院，四川成都611731 ；2,电子科技大学机械与电气工程学院，四川成都611731）摘 要：DC-DC 变换器被广泛应用于分布式供电体系领域.本文分别用IGBT 和MOSFET 搭建可逆DC-DC 变换器，实现24 V 到12 V,相应速度为100 ms 的双向变换小功率DC-DC 变换器设计.通过MATLAB/Simulink 仿 真验证了基于MOSFET 搭建的电路得到的电压值波形浮动为0.IV ,相比于IGBT 模型更为稳定.关键词：MOSFET ： DC-DC 变换器；小功率；Boost-Buck中图分类号：TM44 文献标志码：A 文章编号：1672-612X （2021）05-0027-050引言DC-DC 变换器是指将一固定直流电压转变为另一固定直流电压的转换器巴DC/DC 变换器大致可以分为 三类:升压型DC/DC 变换器（Boost 变换器）、降压型DC/DC 变换器（Buck 变换器）以及升降压型DC/DC 转换 器（Boost-Buck 变换器）［2-3］. DC-DC 变换器是一种能高效实现宜流到宜流功率变换的集成混合功率器件，主 要应用了高频功率变换技术，也就是将直流电压通过功率开关转换成高频开关电压•常用的调制方式有:PFM 调制方式（脉冲频率调制方式），PWM 调制方式（脉冲宽度调制方式）和调频调宽混合调制PWM 调制方式是定频调宽控制方式，这种控制方法是保持斩波周期T 不变，只改变斩波器的导通时间 T on .特点是:斩波器的基本频率固定,所以滤除高次谐波的滤波器设计比较容易• PFM 调制方式是定宽调频控 制方式，这种控制方式是保持导通时间几不变，而改变斩波周期T.特点是斩波回路和控制电路简单,只有频 率是变化的■ PWM 调制方式滤波和控制都十分容易，纹波电压小，且开关频率固定，所以噪声滤波器设计比较 容易,消除噪声也较简单血"■在本文设计中，选择使用PWM 调制方式来进行对DC-DC 变换器的控制.1电路设计本文设计DC-DC 变换的拓扑结构，实现电池的充放电自动切换控制，通过对双向DC-DC 变换器工作原理进行研究，实现对电池的充放电自动切换控制的电路设计，要求如下:输入电压24 V,输出电压12 V,充放电切换响应时间不大于100 ms.设计总体框图如图］所示■双向DC/DC 变换电路采用Busk-Boost 变换器拓扑结构如图2所示.图1设计总体框图Fig.l The overall design diagram图2是一个Buck-Boost 变换器，它由2个全控型器件S1和S2控制.在这个电路中,S1和Diode2组成了 降压斩波电路，由电源向电池供电,S2和Diodel 组成了升压斩波电路，由电池向电源反馈电能.二者不会同时 工作，如果S1和S2同时导通，将会使电源短路,进而损坏器件.其中Buck 变换器拓扑结构如图3所示.收稿日期=2020-11-27第一作者简介:谢驰（1956-）,女，四川自贡人，教授，博士，研究方向:机械设计及智能测试技术.*通信作者简介:刘影（1984-），女，四川成都人，副教授，博士，研究方向:信号与信息处理，智能电网技术.• 27 •绵阳师范学院学报(自然科学版)16)Fro m 2S1DiodelB 911 ar.图2 Buck-Boost 变换器拓扑结构Fig.2 The topology of Buck-boost converter 图3 Buck 变换器拓扑结构Fig.3 The topology of Buck converter 图3是一个Buck 变换器，它由一个全控型器件S 控制，当S 导通时，电源匕向负载供电，负载电压 U 。
一种新型高增益软开关双向直流变换器
现代电子技术Modern Electronics TechniqueSep. 2023Vol. 46 No. 182023年9月15日第46卷第18期0 引 言随着新能源汽车和分布式发电的快速发展，各种储能系统的双向变换器研究受到了学者们的广泛关注[1‐3]。
这些大容量储电装置和分布式电源中相当一部分由锂电池和超级电容组成，其输出电压范围较宽，这就对用充放电功能的双向直流变换器提出了宽电压范围、高增益的要求。
此外，由于例如大型储电站在内的分布式电源处于长期工作状态（充电状态或者放电状态），为了减少由变换器所产生的额外的能量损耗，不少学者针对各种双向变换器提出了软开关解决方案[4‐12]。
通过实现开关器件的零电压开关（Zero Voltage Switch, ZVS ）或者零电流开关（Zero Current Switch, ZCS ）来减小期间的开关损耗，特别是针对高频变换器，频繁的开通和关断操作将产生大量的开关损耗。
传统的Boost‐Buck 电路是最为常见的双向直流变DOI ：10.16652/j.issn.1004‐373x.2023.18.019引用格式：明旺，粟时平，苏乾坤，等.一种新型高增益软开关双向直流变换器[J].现代电子技术，2023，46（18）：104‐112.一种新型高增益软开关双向直流变换器明 旺， 粟时平， 苏乾坤， 倪 亮， 李志轩（长沙理工大学 电气与信息工程学院， 湖南 长沙 410114）摘 要： 针对储能设备的充放电应用场景，文中提出一种新型双向直流变换器结构。
该变换器具有正向高电压增益、宽输入范围、可实现软开关的特点。
通过两个交错并联的电感交替充放电，可以减小输入电流纹波；高压侧的2个分压电容不仅能够将电压增益提高1倍，还能在全状态下都实现自动均压。
通过增加谐振单元帮助实现开关管的软开关的同时，谐振单元中的开关管也能够实现零电流关断。
文中对拓扑的演绎和改进方法进行阐述，对拓扑结构的工作原理、软开关实现方式进行分析；并与其他的相似拓扑结构进行性能比较。
一种隔离型软开关高升压直流变换器及其控制方法[发明专利]
![一种隔离型软开关高升压直流变换器及其控制方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/1ff93ed6b90d6c85ed3ac6d5.png)
专利名称：一种隔离型软开关高升压直流变换器及其控制方法专利类型：发明专利
发明人：吴红飞,胡海兵,邢岩,陆杨军
申请号：CN201310163230.5
申请日：20130507
公开号：CN103208927A
公开日：
20130717
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种隔离型软开关高升压直流变换器及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域。
该变换器由输入源(U)、原边开关电路(10)、副边开关电路(20)、电感(L)、变压器(T)、第一输出滤波电容(C)、第二输出滤波电容(C)和负载(R)构成，其中原边开关电路(10)由四个开关管构成，副边开关电路(20)由四个二极管和两个开关管构成；该变换器通过原边开关电路(10)与副边开关电路(20)的移相控制实现输出电压的控制；本发明隔离型软开关高升压直流变换器能够在全负载范围内实现所有开关管的软开关，可以实现高频、高效率功率变换，可以有效减小电感和变压器的体积，副边开关器件电压应力仅为输出电压的一半，为高频、高效、高升压大功率隔离功率变换场合提供了关键技术。
申请人：南京航空航天大学
地址：210016 江苏省南京市白下区御道街29号
国籍：CN
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HC-VFVC型直流隔离变换器
HC-VFVC型直流隔离变换器
姜英
【期刊名称】《政策》
【年(卷),期】1999(000)008
【摘要】HC-VFVC直流隔离变换器是华中师范大学武汉华科信息工程开发研究所研制开发的产品。
主要用于冶金系统钼电解槽系列中各槽电压的测量,可与电子计算机配套使用,也可用于其他要求隔离变换装置的场合及自动控制系统。
本产品是在本所国家级新产品“DC-PT双程直流隔离变换器”的基础上加以改进的新【总页数】1页(P65-65)
【作者】姜英
【作者单位】华中师范大学
【正文语种】中文
【中图分类】TM464
【相关文献】
1.基于脉冲频率调制的高增益隔离型软开关直流变换器 [J], 章治国;刘俊良;郭强;陈艳
2.基于隔离型DC/DC变换器的直流环网故障主动保护研究 [J], 李媛;李希元;曹子恒;曲妍;郎斌
3.一种隔离型多端口直流-直流模块化多电平变换器 [J], 许颖飞;金林;王昆;邓焰
4.基于扩展状态平均法的隔离型多端口移相全桥双向直流变换器建模研究 [J], 李鑫;张微微;朱浩宇;黄钰笛
5.直流微电网中多端口隔离型DC-DC变换器的改进虚拟电容控制策略 [J], 张辉;梁誉馨;孙凯;陈欢;杜明桥
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2019年1月电工技术学报Vol.34 No. 2 第34卷第2期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jan. 2019DOI: 10.19595/ki.1000-6753.tces.171194基于脉冲频率调制的高增益隔离型软开关直流变换器章治国1,2刘俊良2郭强1陈艳1（1. 重庆理工大学重庆市能源互联网工程技术研究中心重庆 4000542. 重庆邮电大学自动化学院重庆 400065）摘要提出一种基于脉冲频率调制（PFM）的高增益隔离型软开关直流变换器，该变换器在反激变换器基础上，集成了有源钳位单元和准倍压结构，在实现高增益的同时，所有功率管均具有软开关的特性，且电路结构简单。
与脉宽调制（PWM）方式相比，采用PFM的控制方式进一步降低了功率管上的电流应力，有助于提升变换器效率。
详细分析PFM方式下的高增益软开关变换器拓扑的工作原理及其特性，并对PFM和PWM的策略及特性分别进行分析比较，最后搭建一台160W、45V/380V的实验样机，验证了理论分析的正确性和有效性。
关键词：高增益软开关脉冲频率调制零电压开通零电流关断中图分类号：TM46A High Step-Up Isolated Soft-Switching DC-DC Converter withPulse Frequency ModulationZhang Zhiguo1,2 Liu Junliang2 Guo Qiang1Chen Yan1（1. Energy Internet Engineering Research Center of Chongqing CityChongqing University of Technology Chongqing 400054 China2. College of Automation Chongqing University of Posts and TelecommunicationsChongqing 400065 China）Abstract A high step-up isolated soft-switching DC/DC converter with pulse frequency modulation (PFM) was presented in this paper. The converter integrates a flyback converter with active clamp and similar voltage multiplier cells, and all the transistors have soft-switching. The structure of this proposed converter is simple and easy to achieve high voltage gain. At the same time, compared with the pulse width modulation (PWM) mode, the control mode of PFM modulation further reduces the power tube on the current stresses, which helps to improve the converter’s efficiency. The operation principles and characteristics of the proposed converter were analyzed in detail, and the two control strategies were compared. Finally, a 160W, 45V/380V laboratory prototype circuit was implemented to verify the effectiveness and accuracy of the theoretical analysis.Keywords：High step-up, soft-switching, pulse frequency modulation, zero voltage switching (ZVS), zero current switching (ZCS)国家自然科学基金（51607020）和重庆市教委科学技术研究（KJ1709209、KJ1600944）资助项目。
收稿日期 2017-08-18 改稿日期 2017-10-23第34卷第2期章治国等基于脉冲频率调制的高增益隔离型软开关直流变换器 2970引言随着能源危机和环境问题的日益突出，越来越多的国家已致力于发展新型绿色能源。
太阳能由于具有零污染、无噪声、设备安装方便以及潜能巨大的优点，在全世界范围内已被广泛应用，预计在2020年，全球太阳能发电装机容量将会达到489.8GW[1]。
对于光伏系统而言，光伏逆变器起着将直流电能转换成交流电能的作用，以便并网发电或直接供给本地负载。
光伏逆变器从容量上讲一般可分为集中式逆变器、组串式逆变器和微逆变器。
微逆变器的功率等级通常为100～300W，因其输出易于扩展，抗阴影性好，每个面板可以单独设计以及易于安装等优点，已逐渐成为未来光伏系统的主要形式。
两级式微逆变器由于设计和控制简单而被广泛应用在光伏系统中[2,3]。
图1为常见的两级式微逆变器的结构框图，前级为DC-DC升压变换器，后级为DC-AC 逆变器。
光伏模块的输出电压通常较低，一般为33～50V[4]。
而光伏微逆变器DC-AC级的输入电压通常需要达到350～400V，以便有效进行逆变并网，因此，前级DC-DC变换器需具有较高电压增益。
高增益的DC-DC变换器应用广泛，不仅可以应用在两级式的微逆变器中，也被广泛应用在燃料电池电动汽车和不间断电源（Uninterruptible Power Supply, UPS）领域中[5]。
图1 两级式微逆变器结构框图Fig.1 Structure diagram of two stage micro inverter高增益直流变换器有隔离型和非隔离型两种。
对于非隔离型高增益DC-DC变换器而言，有较多方法可实现，如利用耦合电感[6-8]、变换器级联[9,10]、开关电容[11,12]和倍压单元[13,14]等。
此类方法已有较多研究，它在获得高增益的同时，还具有高效率和高功率密度的特点。
但是，太阳光伏板与大地之间形成的寄生电容为漏电流提供了通道，基于输入输出电气隔离和安全的需要，微逆变器常需要带有电气隔离的高增益直流变换器[15]。
隔离型变换器中反激变换器以其电路结构简单、元器件少且输入输出隔离等优点在中小功率领域获得了广泛关注，通过调整反激变压器匝比可实现高电压增益。
然而，变压器的漏感较大，从电源到负载的能量传输效率低。
针对这个问题，有学者对反激变换器进行改进。
在文献[16]中，所提出的变换器由反激变换器和倍压单元组成，利用较小的匝比就可实现较高的电压增益，避免了反激变压器漏感较大的问题，但其所有开关管处于硬开关状态。
为进一步提高变换器效率和功率密度，G. Spiazzi等通过引入新的辅助电路，但造成变换器拓扑结构复杂，而且输出二极管仍处于硬开关状态[17-19]。
本文提出一种脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation, PFM）的隔离型高增益软开关直流变换器，该变换器在反激变换器的基础上，集成了有源钳位单元和准倍压结构：有源钳位单元实现了变压器一次侧开关管的零电压开通（Zero Voltage Switching, ZVS），同时利用变压器的漏感和准倍压结构形成谐振电路，使变压器二次侧二极管具有零电流关断（Zero Current Switching, ZCS）的能力，所有功率管均处于软开关状态。
另外，该变换器在变压器一次侧开关管导通和关断期间均能向二次侧传递能量，因而磁心利用率高。
相对于PWM方式，采用PFM控制，可以有效降低功率管上的电流应力，提升变换器效率。
下面首先介绍该变换器的电路拓扑和其工作原理，然后对其性能进行分析，并对PFM和PWM策略及特性分别进行分析比较，最后搭建一台160W、45V/380V的实验样机，验证了理论分析的正确性和有效性。
1电路拓扑及其工作原理本文提出的隔离型高增益软开关DC-DC变换器如图2所示。
图中，V g为输入电压源，MOSFET 管S2和复位电容C r构成有源钳位，电容C oss为MOSFET管S1的寄生电容，变压器一次、二次侧匝比为1∶n，L lk为变压器漏感，L m为变压器的励磁电感，C s为谐振电容，VD o1和VD o2为输出二极管，R图2 隔离型高增益软开关DC-DC变换器Fig.2 Isolated high step-up DC-DC converter withsoft-switching298电 工 技 术 学 报 2019年1月为负载，输出电容C o 用来减小输出电压纹波。
该变换器一个开关周期可分为五个阶段，其主要工作波形如图3所示。
图中i s 为谐振电容上的电流波形，i 1为一次电流波形，v C s 为谐振电容上的电压波形，v C oss 为MOSFET 管S 1的寄生电容电压波形，d 和T s 分别为稳态工作下的占空比和开关周期。
该变换器在一个开关周期内各个模态等效电路如图4所示。
模态1[t 0, t 1]，如图4a 所示。
在t 0时刻，S 2关断，t 1时刻，S 1导通。
在t 0～t 1时间段，S 1和S 2都处于关断状态，变压器一次电流i 1继续按原来方向流动，在此模态下L lk 与L m 串联后与电容C oss 谐振，C oss 两端的电压v C oss 从当前值下降到零，如果v C oss 在t 1时刻降到零，S 1即能实现ZVS 。
由于励磁电感图3 一个开关周期内的主要波形Fig.3Main working waveforms in a switching cycle（a ）模态1[t 0, t 1]（b ）模态2[t 1, t 2]（c ）模态3[t 2, t 3]（d ）模态4[t 3, t 4]（e ）模态5[t 4, t 5]图4 一个开关周期内各个模态等效电路 Fig.4 Equivalent circuits during one period较大，寄生电容C oss 上的电压很快谐振到零，此时段时间较短。
模态2[t 1, t 2]，如图4b 所示。
在t 1时刻S 1导通，t 2时刻VD o1断开；在t 1～t 2时间段内，S 1处于导通状态，S 2处于断开状态。