一种适合宽范围输出的三电平DC/DC变换器
Three-level DC/DC Converter with Wide Output Voltage Range
中文关键词: 三电平DC/DC变换器 宽范围输出 效率
作者 单位 E-mail
袁义生 华东交通大学电气与自动化工程学院, 南昌 330013 cloudstone_yuan@aliyun.com
大功率交流传动电力机车系统集成重点实验室, 株洲 412001
梅相龙 华东交通大学电气与自动化工程学院, 南昌 330013
毛凯翔 华东交通大学电气与自动化工程学院, 南昌 330013
中文摘要:
提出了一种宽电压范围输出的三电平DC/DC变换器，其包含两组并联的主桥臂和辅助桥臂以及级联形式连接的主变压器和辅助变压器。该变换器具有低压低功率和高压高功率两种工作模式，其中低压模式下辅助桥臂不开通以降低电路损耗，高压模式下辅助桥臂开通以提高输出电压。与传统电路相比，变压器具有更低的变比，分析了传统拓扑的损耗，并比较了新拓扑与传统拓扑在不同输出模式下的效率，得出新拓扑在低压模式下具有更高效率的结论。研制了一台2 000 W的原理样机，实验数据表明，在低压模式下新拓扑的效率仍可高达94%，较传统拓扑提升了3%，验证了理论分析的正确性。
内容节选：
宽范围输出电压的直流电源在充电电源、测试电源等领域的应用越来越广泛，尤其是随着电动汽车直流充电桩的发展，为了满足不同种类电动汽车的充电需求，许多直流充电桩的输出电压范围越来越宽。 标准中规定了 300～500 VDC、500～750VDC 充电桩的电压范围。这种要求对充电电源在宽输出范围下的高效率设计带来了挑战。 充电电源的前级电路通常是 PFC 电路， 拓扑选择相对比较固化。 后级电路是高频隔离 DC/DC 变换器，亦是充电电源的核心，也是充电电源损耗的****部分，其工作效率一般会随输出电压的下降而迅速下降，严重影响整体的充电效率。 因此，研究能够在宽输出电压范围内高效工作的高频隔离 DC/DC 变换器是业界的热点。
相关研究可以分为以下 ３ 类。 ①变压器并-串结构的拓扑。 它的两组变流器采用变压器原边并联-副边串联的方案，优点是提高了输出电压范围，变压器能实现均流，变压器漏感更小，效率更高；缺点是变压器匝比固定， 输出在低压仍旧效率偏低。②改变变压器副边绕组匝数的拓扑。 它的变压器副边有多个绕组，采用开关管进行切换，使得输出电压调节能力变宽，效率得以提高，但其缺点是调节电压不平滑，动态响应不容易达到要求。 ③并鄄串结构变压器自动调整绕组的拓扑。 它通过分别调节两组变流器的占空比（或移相角），在二次侧获得可平滑调节的电压，从而提高宽范围电压输出的效率，但由于 ２ 个变压器的副边电压不相等时不能直接并接， 需要增加额外的电感或者二极管来隔离，同时也增加了额外的损耗。 而且，２ 个变流器总需要同时工作，也增加了低输出电压时的损耗。 文献[9]针对双谐振 CLL 电路进行了分析，对于 CLL 电路的设计与探索有一定价值；文献[10]针对并网 LCL滤波器的控制进行了优化， 对于变换器的软件控制有改进。
针对宽范围输出的电源在低压输出时效率较低的缺点，本文提出了一种混合式拓扑。它由 2 组并联的桥臂和 2 个串级结构的变压器构成， 在低压输出时，仅一组桥臂工作，在高压输出时，第二组桥臂自动调节输出电压。分析了电路的工作模式，比较了它与传统拓扑的特点，最后通过实验进行了验证。
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