用于分布式能源应用的级联高功耗双向开关电容 DC-DC 转换器外文翻译资料

 2021-12-11 08:12

英语原文共 12 页

用于分布式能源应用的级联高功耗

双向开关电容 DC-DC 转换器

熊松, Member, IEEE, and Siew-Chong Tan, Senior Member, IEEE

摘要—文提出了一种具有任意正整数高增益比的双向开关电容 (sc) 控制器, 用于分布式能源应用。与其他现有的 sc 转换器相比, 实现了相同的 con-version 级增益, 拟议的转换器的主要优点是, 它们需要相对较少的开关和 cs-pacl, 具有相对较低的开关和电容器的应力,以及它们的相关驱动电路更易于实现。重要的是, 由于可实现的转换率是灵活的, 并且拟议的转换器的输入和输出是共同的, 拟议的转换器广泛适用于许多应用。此外, 由于拟议的转换器不具备磁性元件或任何可能严重降低转换器在高温下性能的组件, 因此它们特别适用于高温应用。此外, 所建议的转换器能够提供双向电源, 这是电池存储新兴应用的关键要求。本文将讨论所提出的变换器的不同方面, 包括一个简单的 mosfet 驱动器辅助电源电路。构建并测试了一个具有20-v 输入电压、100 w 输出和 75 khz 的 9次 sc 转换器原型。实验结果表明, 该样机的最大效率超过 98% (无驾驶员损耗), 在25至 100 w 之间的整个负载范围内的效率超过 95.5, 包括驾驶员的损耗。sc 转换器的输出电压纹波小于1%。当 sc 转换器采用开环控制时, 负载电压调节在满负荷和无负载条件下保持在5% 以下。

指数术语-双向、高压增益、可再生、开关电容。

I.介绍

对光伏 (pv) 阵列、热电发电机 (teg) 和燃料电池等分布式能源 (der) 的需求一直在显著增长。这些 der 的典型输出是直流电压形式, 与所需的功率 grids[1 电压水平相比, 水平相对较低 (即几伏到几十伏)], [2], 范围从200到 400 v [3]。需要高效的高压增益 dc-dc 转换器来连接 der 与电网的连接 [1]-[3]。为了实现这种高压增益转换, 采用了基于磁的和低磁的变换器。

单级升压变换器是最常见的基于磁力的升压变换器, 理论上, 它可以通过提高占空比, 以其理想的形式实现任何高压增益转换m。然而, 寄生电阻和漏电电感降低了变频器的效率, 并实际限制了其整体可实现增益 m [4], [5]。

为了降低升压转换器的占空比, 提出了通过插入带有耦合电感、内置变压器、开关电容 (sc) 结构或倍增器电路的额外电路 [1] [4], [6]-[12] 进行修改。但是, 这些拓扑仅适用于低功耗应用。在高功率级别上, 转换器的效率显著下降。因此, 它们的工作负载范围相当有限。

隔离转换器与变压器, 也是基于磁性的转换器, 也是另一种解答 [13] –[15]。这种类型的转换器, 如相移全桥转换器, 可以很容易地实现高压增益转换, 通过使用高变压器的转弯率和设置的工作 ra-tio 在预先优化的范围内运行。但是, 这些转换器的效率很低。这是由于二极管上的高电压和变压器中的漏电电感存在造成的高损耗 [4]。由于漏电电感是电力损耗的重要来源, 因此采用了主动夹紧电路技术来提高变频器的效率 [14]。然而, 这是以牺牲复杂的启动操作和更高的设置成本为代价的, 因为使用了昂贵的组件, 如隔离传感器和反馈控制器 [4]。此外, 效率的提高是有限的, 因为流经有源夹紧开关的电流非常高, 这导致了高传导损失 [6]。此外, 对于带有变压器的转换器, 必须考虑到磁力的重量、尺寸和成本。

此外, 在高温环境下, 以磁为基础的变换器不适合应用, 因为随着温度的升高, 渗透率会显著降低。这将导致更高的功率损耗的转换器和增加的损失将进一步增加环境温度 [16]。一些 der 必须在高温环境下发挥作用是不可避免的。这样的 der包括光伏阵列和 teg。因此, 最好在光伏和 teg 系统中应用无磁转换器, 尤其是在高温环境下运行的变频器。

称为 sc 转换器的无磁转换器仅由开关和电容器组成, 以其重量轻、效率高、功率密度高而闻名 [17]-[25]。有许多可用类型的 sc 转换器。该系列并联 (sp) sc 变换器效率高, 控制简单, 有利于功率扩展。但是, 在高增益

转换应用程序中使用时, 它需要太多的组件 [26]。梯形 sc 转换器也是高效率的 [27]。然而, 对于高压增益转换, 它还需要大量的开关和电容器。斐波那契 sc 转换器 [23], [28] 和指数 sc 转换器 [29] 需要更少的组件。然而, 可实现的电压转换是刚性的, 并且不是随着其基本 sc 电池数量的增加而不断增加。这严重限制了它们的应用范围。在 [30]-[32] 中提出了一种多级 sc-dc 控制器, 该开关的电压应力较低。但是, 这种多级 sc 转换器的控制相位数随着转换器的转换率的增加而成比例增加。因此, 当转换率较高时, 该转换器的控制非常复杂。[33]、[34] 中提出了一种改进的多级模块化电容夹紧 sc 转换器 (mmccc), 该转换器基于 [31] 中的多级 sc 转换器, 该转换器只有两个开关相位且易于控制。即使转换率提高到非常高的水平, 该转换器开关上的电压应力也保持在恒定的较低水平。但是, 转换器 中所需模块的数量以更高的转换率线性增加。为了实现高压增益转换, 该转换器将需要大量的功率成分。其相关驱动电路的复杂性和成本也很高。[16]、[35] 和 [36] 中提出了基于 mmccc 的双翼多级 sc 转换器, 该转换器需要较少的开关, 并且仍然在开关上实现低电压应力。这种升压 sc 转换器在 [16] 中被命名为 nxsc 转换器, 而它使用的组件较少, 转换率灵活, 所需的电容器和开关的数量对于高增益转换应用仍然相对较高。此外, 变频器的输出与输入电压源不是共同的。这将转换器的应用限制在不需要共同点的人身上, 并将那些需要的人排除在外, 例如电信应用。[37] 中提出了一种桥式模块化 sc 变换器, 与 mmccc 相比, 该变换器可以进一步减少开关的数量。然而, 可实现的转换率是刚性和高度离散的。此外, 变频器的输出和输入也不是共同的。这些缺点限制了它的应用。

[38] 中提出了一种采用自动交织技术的 sc 变换器。交织技术将减少转换器的输出电压纹波。但是, 当应用程序需要高转换率时, 它需要大量的组件。在 [39] 中, 提出了一种基于高压增益 scs 的转换器, 该转换器是通过积累数量的 sc 电池来实现的。但是, 此转换器

目录

不同 SC 转换器的比较

SP SC

Fibonacci SC

Ladder SC

N times; SC

Proposed SC

Number of switches

High

Low

Medium

Medium

Low

required

Number of

High

Low

Medium

Medium

Low

capacitors required

Maximum voltage

High

High

Low

Low

Low

stress of switches

Maximum voltage

Low

High

Low

Medium

Low

stress of capacitors

Overall switch stress

High

Low

Low

Low

Low

of the converter

Overall capacitor

Low

Medium

Medium

High

Medium

stress of the

converter

Input and output are

Yes

Yes

Yes

No

Yes

of common ground

Driver required

Complex

Complex

Easy

Complex

Easy

Continuous

Yes

No

Yes

Yes

Yes

conversion gain

的效率很低。总之, 虽然文献中发现的所有 sc 转换器都有其优点, 但它们都无法同时实现以下一个或多个功能:

  1. 随着其基本 sc 细胞的增加而不断增加的转化率;
  2. 只需要相对较少数量的 mosfet 开关和电容器;
  3. 具有较低的输入电流纹波;
  4. 低电压应力;
  5. 输出是输入的共同点。

本文提出了一种高效、高转化率的级联双向 sc 变换器。拟议的 sc 转换器由基本模块组成, 广泛应用于许多转换器中, 如梯形 sc converter [27]、倍增器 [40]、多级 dc-dc converter [41] 和 ac-ac 转换器 [42], [43]。通过改变不同模块的连接方式, 得到了一系列的 sc 转换器。所提出的 sc 转换器家族具有以下特点。

  1. 开关和电容器的数量都相对较少。减少开关的数量也减少了驱动电路和相关电路的数量。这降低了组件的成本和 sc 转换器的复杂性。如果将 sc 转换器的开关及其相关电路制成一个集成电路 (ic) 芯片, 则 sc 转换器的大小主要取决于所需的电容器尺寸和数量。因此, 减少所需的电容器尺寸和数量是必要的。
  2. 开关和电容器的最大电压应力都相对较低。具有较低电压应力的开关具有较好的性能, 这反过来又提高了 sc 变换器的性能。
  3. 开关和电容器的总电压应力相对较低。
  4. 转换率可以是任何整数, 这使得应用程序更加灵活。
  5. 控制很简单。转换器由一对互补的 pwm 信号控制。
  6. 即使只有开环控制, 也可以实现良好的负载调节。由于拟议的 sc 转换器中的电容器已完全充电, 因此禁用了线路调节。
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    资料编号:[5808]

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