谐振电感式升压DC/DC转换器的电路设计

在电动汽车和混合动力汽车中，电压转换范围从非常低的（0.8 V）到非常高的电压（450至800 V）不等。这激发了开发新技术来生产DC / DC转换器的兴趣，这些技术不仅高效且可为特定应用提供精确的值，而且功耗也较小。对于高电压增益，使用LC谐振回路，该回路的缺点是取决于负载，并且还会产生无功电流，从而降低了效率。2为了克服此缺点，使用了匝数多的变压器来获得高电压增益。3,4大量匝数会引入较大的泄漏电流，从而导致电压下降，从而降低转换的电压增益。尽管可以使用串联电容器来补偿电压降，但这是实现高电压增益的困难方法。5,6在本文中，我们将讨论具有非常高的电压增益的谐振电感式升压DC / DC转换器。它们具有一个单开关谐振逆变器，该逆变器向变压器提供高频交流电压，以及一个Cockcraft-Walton（CW）乘法器，该乘法器对变压器的输出进行整流并将其升压至高直流电压。

变流器的电路及工作

图1显示了谐振电感式升压DC / DC转换器的电路图。它包括三个部分。第一部分称为谐振逆变器，它由一个电感器，一个开关和一个电容器组成。第二部分是感应升压，它具有一个电容器和一个空心变压器。变压器的初级和次级之间的匝数比为“ n”，耦合系数为“ k”。因此，变压器可实现的增益由公式n / k给出。这有助于克服变压器松耦合的缺点，并允许高电压增益。1个最后一部分包含CW整流器。它由多个电容器和二极管组成。该部分将来自变压器的交流输出整流并升压为高直流电压输出。 

首先，打开单开关谐振逆变器以产生AC波形，然后通过电感器以减少输入电压的波动，以提供连续的电流源。1在开关S接通之前，AC波形达到0，这将启用零电压开关（ZVS）。在ZVS操作中，在接通开关之前，电容器会并联使电压谐振为0。然后，将此交流电压提供给空心变压器，从而放大其幅度。然后，放大的交流电压通过CW倍增器，它将放大的交流电压整流为非常高的直流电压。通过计算正确的电感升压电路元件值，我们可以设计一个具有非常高且与负载无关的电压增益的转换器。

图1：谐振电感式升压DC / DC转换器的电路图

设计指标

在共振感应升压中，最重要的成分是共振成分。在基于PWM的常规DC / DC转换器中，应以相同的方式选择Lf和CW整流器中的电容器之类的组件。7所提议的DC / DC转换器中的L1，L2，Cr，Cf和k之类的谐振分量负责两件事：

• 开关的ZVS操作
• 与负载无关的电压增益

为我们的原型选择的这些组件的价值如下：

• L1 = 1.1 µH
• L2 = 17.6 µH
• 铬= 137 nF
• Cf = 120 nF
• k = 0.59

原型与效率

图2显示了谐振电感式升压DC / DC转换器的原型。的规格是9伏的输入电压和800 V的输出电压， 以500kHz的开关频率和45瓦的功率消耗1个实验已经表明，在8.57-V输入时，输出电压为753.23 V，其中约为输入电压的87.9倍。开关的电压应力为输出电压的4％，约为30V。低应力电压意味着更高效率和成本效益的转换器。

实验结果还表明，在低输入电压下，由于CW整流器中的压降，转换器的效率也很低，但随着输入电压的增加，转换器的效率趋于增加。例如，在1V输入下，效率约为75％，随着输入电压的增加，效率提高到85％。在6.57 V时可实现最大效率，其中输出电压为560.29 V，效率为87.9％。1个

 

图2：谐振电感式升压DC / DC转换器的原型

分析与结论 

谐振电感式升压DC / DC转换器是一个复杂的电路，但提供了与负载无关的高DC电压。该文章将电压的高增益可视化，并且实验结果还表明，可以实现89％的效率。它也表明电压有89倍的增益，并且有一个低输入电压，可以提高转换器的性能。这项技术和实验工作表明，谐振感应技术可用于不同的应用，并且需要非常低的输入。它允许两步提升输入电压，并通过增加电流来提高变压器的性能。主开关具有完美的ZVS操作，以执行整个电感谐振技术。它可以用于不同的应用，尤其是在电动汽车和混合动力汽车中，因为它们需要高电平的电压转换来为发动机提供动力。它也可以用于电动汽车的充电系统。

参考

1香港大学电气与电子工程系李克瑞，谭秀重和罗树源慧。

2 K. Li，SC Tan和A. Ioinovici，“在整个负载范围内具有高升压转换比和ZVS的直流移相谐波升压谐振DC / DC转换器”，Proc。2019 IEEE应用功率电子会议暨展览会（APEC），美国加利福尼亚州阿纳海姆，2019年，第1307–1312页。

3 S. Park，L。Gu和J. Rivas-Davila，“使用多级DE整流器的60 V至35 kV输入并联输出系列DC / DC转换器”，Proc。2018 IEEE应用功率电子会议暨展览会（APEC），德克萨斯州圣安东尼奥市，2018年，第2235–2241页。

4 M. Nymand和MAE Andersen，“用于大功率低压燃料电池应用的高效隔离式升压DC-DC转换器”，IEEE Trans Ind。Electron。，第1卷。57号 2，第505-514页，2010年2月。

5 X. Sun，Y。Shen，Y。Zhu和X. Guo，“具有固定频率pwm控制的交错式Boostintegrated LLC谐振转换器，可再生能源发电应用”，IEEE Trans。电力电子，卷。30号 2015年8月，第8页，第4312至4326页。

6 Y. Shen，H。Wang，Z。Shen，Y。Yang和F. Blaabjerg，“具有用于光伏微逆变器的双模整流器的1-MHz串联谐振DC-DC转换器”，IEEE Trans。电力电子，卷。34号 7，第6544–6564页，2019年7月。

编辑：hfy