耦合电感倍压单元高增益变流器拓扑形成方法

摘要

世界性能源危机与环境污染促使学术界与工业界大力推动太阳能、风能等绿色清洁可再生能源的发展。在光伏发电系统中，如何把较低的光伏组件电压高效转换为可供并网逆变器应用的母线电压，是提高光伏系统转换效率与结构灵活性的关键技术，因此成为近年来学术界重要研究方向之一。论文在总结现有适用于高升压比场合变流器拓扑的基础上，提出了耦合电感倍压单元结构，并基于该基本单元演绎出了一系列高效率高增益的隔离型与非隔型变流器拓扑族，同时总结出通过耦合电感倍压单元实现变流器增益拓展的普适性方法。
　　 首先，论文提出了耦合电感倍压单元结构，并将其引入到传统Boost电路中，形成了基于耦合电感倍压单元的非隔离型升压变流器，成功地解决了传统Boost变流器应用于高电压增益场合下的问题。该变流器提升了电路的电压增益，避免了变流器工作于极限占空比状态，同时降低了开关管的电压应力，有助于减小电流纹波，并且可通过应用低通导电阻的开关管来降低导通损耗。通过无源或有源箝位电路有效吸收开关管关断电压尖峰并无损转移漏感能量，与耦合电感漏感配合实现开关管的零电流或零电压开通，同时通过漏感有效地抑制输出二极管的反向恢复电流，从而减小了系统的开关损耗。变流器中耦合电感在工作于滤波电感状态的同时，在开关管导通时作为变压器向副边绕组传递能量，提高了磁芯利用率，减小了磁元件体积，提高了功率密度。论文还总结了引入耦合电感倍压单元实现变流器电压增益拓展的一般性方法，将耦合电感倍压单元代替原电路中的整流结构，得到了一系列高效率高增益变流器拓扑族。该耦合电感倍压单元高增益拓扑演绎方法的提出，为高增益变流器的生成提供了新思路。
　　 其次，本文通过耦合电感副边绕组串联的方法，将单相耦合电感倍压单元变流器有机结合为交错并联型变流器，该方案不仅继承了单相电路中的优点，还大幅降低了输入电流纹波，降低了对输入电容与输出电容的冲击，提高了变流器可靠性，提升了变流器的功率等级。耦合电感副边绕组串联结构也使变流器更适用于升压场合，同时使变流器无需加入额外的控制与电路而实现了输入与输出的自然均流。此外，论文还提出了另外两种由单相变流器生成交错并联变流器的普适性方法，基于该方法所形成的变流器不仅包括已有高增益交错并联拓扑，更包括多种适用于高电压增益场合的变流器。由单相耦合电感倍压单元变流器导出交错并联变流器的方法进一步发展了耦合电感倍压单元拓扑演绎思路，丰富了变流器形成方法。
　　 再次，论文将耦合电感倍压单元结构引入到隔离型变流场合，形成了具有原边并联副边串联结构的隔离型变流器，并通过引入有源箝位电路，使变流器适用于大电流输入高电压输出的高增益变流场合。该变流器通过耦合电感副边绕组串联进一步提升了变流器电压增益，降低了输入电流纹波并实现输入侧自然均流，同时通过有源箝位技术实现了耦合电感能量的无损吸收与开关管的零电压开通。此外，该变流器通过耦合电感的漏感限制了输出二极管电流的下降率，有效解决了二极管反向恢复问题。论文还提出了对称式耦合电感四倍压单元结构。其降低了输出二极管与电容的电压应力，实现了输入电容的自然均压，并进一步提升了变流器的升压能力。耦合电感倍压单元结构为基于耦合电感变流器及电流源型变流器的副边整流结构提供了一种可应用思路。
　　 论文上述提出的新型交流器拓扑，有效解地决了传统Boost变流器在高增益场合下的不足，一方面拓展了电压增益、避免了极限占空比的工作状态;另一方面降低了器件的电压应力，因而降低了电路的导通损耗，同时通过采用软开关技术降低了开关损耗，从而实现高增益与高效率的统一。总结了高增益变流器的内在联系与新型拓扑的形成规律，为新变流器的发现提供了新思路。
　　 最后，在交流输出的模块化光伏并网逆变系统、车载逆变器系统及能量回馈节能系统中，耦合电感倍压单元高增益变流器得到了成功应用。其结果表明，论文所提出的变流器在高电压增益场合有着良好的性能，有助于推动新能源的发展及节能减排目标的实现。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 光伏系统中的电气结构

1．3 高增益变流器研究现状

1．3．1 开关电容实现升压变流器

1．3．2 开关电感及其与开关电容组合实现升压变流器

1．3．3 变压器及其与开关电容组合实现升压变流器

1．3．4 耦合电感及其与开关电容组合实现升压变流器

1．3．5 交错并联高增益变流器

1．3．6 高增益变流器现状小结

1．4 论文研究内容

第2章 基于耦合电感倍压单元的非隔离型单相高增益变流器

2．1 基于耦合电感倍压单元的无源箝位单相高增益Boost变流器

2．1．1 变流器拓扑的形成

2．1．2 理想静态工作过程

2．1．3 变流器工作特性分析

2．1．4 变流器设计流程

2．1．5 仿真与实验验证

2．2 基于耦合电感倍压单元的有源箝位单相高增益Boost变流器

2．2．1 变流器拓扑及理想静态工作过程

2．2．2 变流器工作特性分析

2．2．3 变流器设计流程

2．2．4 实验验证

2．3 基于耦合电感倍压单元的非隔离升压型拓扑演绎

2．3．1 基于传统Boost及有源箝位电路的新型变流器演绎

2．3．2 基于无源箝位电路的新型变流器演绎

2．3．3 基于开关电容Boost电路的新型变流器演绎

2．4 小结

第3章 基于耦合电感倍压单元的非隔离型交错并联高增益变流器

3．1 耦合电感倍压单元实现的无源箝位交错并联高增益Boost变流器

3．1．1 变流器拓扑的形成

3．1．2 理想静态工作过程

3．1．3 变流器工作特性分析

3．1．4 实验验证

3．2 耦合电感倍压单元实现的有源箝位交错并联高增益Boost变流器

3．2．1 变流器拓扑的形成

3．2．2 理想静态工作过程

3．2．3 实验验证

3．3 从单相到交错并联拓扑其它变换方法

3．3．1 串联绕组耦合电感倍压单元与共用箝位电容

3．3．2 对应点交互式耦合电感倍压单元

3．4 小结

第4章 基于耦合电感倍压单元的隔离型变流器

4．1 基于耦合电感倍压单元的变流器

4．1．1 变流器拓扑的形成

4．1．2 理想静态工作过程

4．1．3 变流器工作特性分析

4．1．4 实验验证

4．2 改进型耦合电感倍压单元

4．2．1 对称式耦合电感四倍压整流电路的形成

4．2．2 工作过程与输出电容均压特性

4．2．3 电路结构变化与对比

4．3 本章小节

第5章 耦合电感倍压单元实现高增益变流器的工程应用实例

5．1 新型交流输出的模块化光伏并网逆变器

5．1．1 系统介绍

5．1．2 实验结果

5．2 车载逆变器

5．2．1 系统介绍

5．2．2 实验结果

5．3 能量回馈式电子负载

5．4 本章小节

第6章 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 今后工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和申请的专利