本發(fā)明涉及電力電子，尤其涉及一種零輸入電流紋波寬增益dc-dc變換器及控制方法。

背景技術(shù)：

1、本部分的陳述僅僅是提供了與本公開相關(guān)的背景技術(shù)信息，不必然構(gòu)成在先技術(shù)。

2、近年來，全球變暖及其引發(fā)的環(huán)境效應已成為重大氣候挑戰(zhàn)?；剂?如煤炭、石油等)燃燒產(chǎn)生的碳排放作為主要誘因，推動著太陽能、風能及氫燃料電池等清潔能源技術(shù)的快速發(fā)展。鑒于燃料電池與光伏系統(tǒng)普遍存在輸出電壓偏低的特性，需通過電力電子變換器實現(xiàn)高效升壓轉(zhuǎn)換，從而滿足負載端電壓需求或并網(wǎng)條件。在此能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中，具備寬范圍電壓調(diào)節(jié)能力的直流-直流(dc-dc)變換器構(gòu)成系統(tǒng)核心拓撲。

3、傳統(tǒng)升壓變換器在實際工況中面臨顯著技術(shù)瓶頸：其開關(guān)器件承受的電壓應力直接關(guān)聯(lián)輸出電壓等級，導致器件必須選用更高額定電壓的功率半導體。當工作于大占空比模式以追求高電壓增益時，系統(tǒng)將面臨二極管反向恢復損耗加劇、導通損耗上升以及開關(guān)電壓尖峰激增等非線性效應。根據(jù)電氣隔離特性差異，當前已發(fā)展出的高增益dc-dc變換器主要分為隔離型與非隔離型兩種類型。

4、隔離型變換器(如高頻變壓器式變換器)與耦合電感式變換器通過調(diào)整繞組匝數(shù)比可靈活實現(xiàn)高電壓增益，但存在體積增加及漏感引發(fā)的電壓尖峰問題。雖然緩沖電路可緩解尖峰現(xiàn)象，但會導致系統(tǒng)復雜度、功耗及成本上升。相較之下，非隔離型變換器憑借緊湊結(jié)構(gòu)和低成本優(yōu)勢更受青睞。然而受寄生參數(shù)影響，傳統(tǒng)非隔離拓撲在大占空比工況下難以實現(xiàn)理想增益性能。

5、為實現(xiàn)非隔離dc-dc變換器的高增益與低電壓應力特性，當前已提出多種創(chuàng)新拓撲方案，當前技術(shù)路徑主要包括耦合電感(ci)、開關(guān)電容(sc)、開關(guān)電感(sl)及其組合結(jié)構(gòu)。文獻“switching?regulatorusing?a?quadraticboost?converter?forwide?dcconversion?ratios”的二次升壓變換器(qbc)雖實現(xiàn)平方級增益，但其高側(cè)功率器件承受與輸出電壓相當?shù)碾妷簯?。對此，文獻“ultrahigh?step-up?dc–dc?converter?composedof?two?stages?boost?converter,coupled?inductor,andmultiplier?cel”通過雙升壓結(jié)構(gòu)、耦合電感與電壓倍增單元(vm)的集成設(shè)計，在提升增益的同時實現(xiàn)漏感能量回收，但其輸入電流紋波較大制約了紋波敏感場景的應用。文獻“synchronous?dual-switchultrahigh?step-up?dc–dc?converterbased?on?coupled?inductor?andvoltagemultiplier?forphotovoltaic?systems”采用耦合電感與電壓倍增單元的混合拓撲獲得平方次增益，但在連續(xù)導通模式(ccm)下存在輸入電流紋波過大的缺陷。文獻“an?ultra-highgain?quadratic?converter?based?on?coupled?inductor?and?switched?capacitortechniques?for?dc?micro-grid?applications”、“quadratic-extended-duty-ratioboost?converters?for?ultra?high?gainapplicationwith?low?input?current?rippleand?low?device?stress”分別對二次升壓結(jié)構(gòu)進行改良：前者通過二次升壓、耦合電感與開關(guān)電容的協(xié)同作用實現(xiàn)高增益與低應力，后者開發(fā)的二次擴展占空比(q-edr)升壓變換器結(jié)合傳統(tǒng)二次升壓與擴展占空比技術(shù)實現(xiàn)超高增益，但二者均面臨元件數(shù)量多、控制復雜導致成本偏高的問題。在開關(guān)電容技術(shù)領(lǐng)域，文獻“switched-capacitor/switched-inductor?structures?for?getting?transformerless?hybrid?dc–dc?pwm?converters”的獨立sc結(jié)構(gòu)需配合其他變換器實現(xiàn)調(diào)壓，文獻“a?switched-capacitor-basedactive-network?converterwith?high?voltage?gain”的有源網(wǎng)絡拓撲雖使器件電壓應力減半并實現(xiàn)電容自平衡，卻因漏感效應引發(fā)開關(guān)管電壓尖峰。文獻“anovel?high?step-upnonisolated?quasi-z-source?dc–dc?converter?with?active?switched?inductor?andswitched?capacitor”提出的有源開關(guān)電感(a-sl)與開關(guān)電容復合型準z源轉(zhuǎn)換器雖緩解電壓尖峰，但存在增益不足與占空比調(diào)節(jié)受限的缺陷。文獻“soft?switching?highvoltagegain?quasi-z-source?dc–dc?converterwith?switched-capacitortechnique”的軟開關(guān)準z源變換器通過耦合電感和開關(guān)電容技術(shù)降低電壓應力與電流紋波，但八種工作模式導致控制復雜度驟增。

6、近期現(xiàn)有技術(shù)在被動元件設(shè)計方面取得進展：文獻“nonisolated?high?step-updc–dc?converter?with?passive?switched-inductor-capacitor?network”采用對稱式開關(guān)電感電容(sl-c)網(wǎng)絡降低器件電壓應力，但存在電流斷續(xù)與最大增益占空比受限問題；文獻“hybrid?active?switched?inductor?dc-dc?converter?with?common?ground?andsuppressed?voltage?oscillation?forfuel?cell?vehicies”的有源開關(guān)電感與開關(guān)電容組合結(jié)構(gòu)減少元件數(shù)量的同時降低電壓應力，卻未能突破增益瓶頸，電壓增益較低。針對電流紋波抑制，文獻“an?optimal?structure?for?high?step-up?nonisolated?dc–dcconverters?with?soft-switching?capability?and?zero?input?current?ripple”提出耦合電感與多級二極管-電容電壓倍增器(dcvm)融合方案實現(xiàn)零紋波，但面臨控制復雜、增益不足與成本過高三重挑戰(zhàn)。文獻“coupled?inductor-based?current-fed?ultra-highstep-up?dc-dc?converter?featuring?low?input?current?ripple”基于兩個雙繞組耦合電感在低占空比下實現(xiàn)高增益，同時消除了電流紋波，但輸出側(cè)二極管承受過高電壓應力。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種零輸入電流紋波寬增益dc-dc變換器及控制方法，所提出的變換器通過引入零紋波升壓單元，在提高電壓增益的同時實現(xiàn)了零輸入紋波特性，與此同時，引入了電壓倍增單元，該結(jié)構(gòu)具備與開關(guān)電容相似的功能并優(yōu)化了開關(guān)電容的能量循環(huán)，使得變換器在電壓增益進一步提升的同時降低了半導體器件的電壓和電流應力。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一個或多個實施例提供了如下技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種零輸入電流紋波寬增益dc-dc變換器，包括依次連接的零紋波升壓單元和電壓倍增單元，所述電壓倍增單元包括第一電容、第二電容、第一二極管、第二二極管、第三二極管、第三電感和第二功率開關(guān)；第二功率開關(guān)的漏極分別與零紋波升壓單元的正極輸出端、第二二極管的正極連接，第二二極管的負極分別與第三二極管的正極、第二電容的第一端連接，第三二極管的負極與輸出電壓正極連接，第二電容的第二端與第一二極管的負極連接；二極管的負極分別與源極分別與第三電感的第一端、第一二極管的負極和第二電容的第二端連接，第三電感的第二端分別與零紋波升壓單元的負極輸出端、第一電容的第一端連接，第一電容的第二端分別與第一二極管的正極、輸出電壓負極連接。

4、進一步的技術(shù)方案，所述零紋波升壓單元包括第一電感、第二電感、第三電容、第四電容、第一功率開關(guān)和第三二極管。

5、進一步的技術(shù)方案，所述第一功率開關(guān)的漏極分別與第二電感的第二端、第三二極管的正極連接，第二電感的第一端分別與第一電感的第二端、第三電容的第一端連接，第一電感的第一端與輸入電壓正極連接，第三電容的第二端分別與第三二極管的負極、第四電容的第一端連接，第四電容的第二端連接輸入電壓負極。

6、進一步的技術(shù)方案，所述第三電容的第二端還與電壓倍增單元的正極輸入端連接，所述第四電容的第二端還與電壓倍增單元的負極輸入端連接。

7、進一步的技術(shù)方案，所述第一功率開關(guān)的源極分別與輸入電壓負極、第四電容的第二端連接。

8、進一步的技術(shù)方案，所述輸出電壓正極與輸出電壓負極之間還設(shè)有第五電容。

9、進一步的技術(shù)方案，所述第五電容的第一端分別與第三二極管的負極、輸出電壓正極連接，第五電容的第二端分別與第一二極管的正極、第一電容的第二端和輸出電壓負極連接。

10、進一步的技術(shù)方案，變換器中各電容容量的選擇以第五電容的容量為準。

11、進一步的技術(shù)方案，第二電感和第三電感的大小與第二電感的電流紋波率、第三電感的電流紋波率、輸入電壓、輸出電壓、負載電阻及開關(guān)頻率有關(guān)，進而得到第一電感的大小。

12、第二方面，本發(fā)明提供了一種零輸入電流紋波寬增益dc-dc變換器的控制方法，包括：

13、獲取變換器的輸出電壓并反饋至控制系統(tǒng)；

14、將所述輸出電壓與預設(shè)的參考電壓進行比較，生成誤差信號；

15、將所述誤差信號輸入至pi控制器，生成控制信號；

16、將所述控制信號轉(zhuǎn)換為pwm波形，驅(qū)動第一功率開關(guān)和第二功率開關(guān)；

17、控制系統(tǒng)循環(huán)執(zhí)行上述步驟，維持輸出電壓穩(wěn)定。

18、以上一個或多個技術(shù)方案存在以下有益效果：

19、本發(fā)明所提出的變換器通過引入零紋波升壓單元，在提高電壓增益的同時實現(xiàn)了零輸入紋波特性，與此同時，引入了電壓倍增單元，該結(jié)構(gòu)具備與開關(guān)電容相似的功能并優(yōu)化了開關(guān)電容的能量循環(huán)，使得變換器在電壓增益進一步提升的同時降低了半導體器件的電壓和電流應力。

20、本發(fā)明所提出的變換器具有高電壓增益、零輸入電流紋波、寬輸入范圍與低電壓應力和雙開關(guān)架構(gòu)下的簡化控制策略的特性，其拓撲在電壓增益范圍、電壓應力及輸入電流紋波方面具有優(yōu)勢，尤其適用于燃料電池電源接口應用場景。

21、本發(fā)明為了驗證所提出變換器拓撲的性能，搭建了一臺輸出功率500w，輸出電壓250v，輸入電壓20-50v的實驗樣機，實驗結(jié)果驗證了該變換器的特性，其適合作為燃料電池的接口變換器。