一种带开关耦合电感的低纹波高动态响应交错并联高增益BOOST变换器
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近年来，可再生能源分布式发电系统受到越来越多的重视，但由于该系统中前级电源的输出电压往往较低，需要高增益变换器将其拉升到后级较高并网电压等级，以实现该并网逆变器的并网功能[1]。同时，由于系统中各输入能源模块受复杂环境变化影响，其输出电压波动大，随机性强，因此，研究可适用于可再生能源发电系统，且具备宽输入适应性、高增益稳定特性的变换器就变得非常重要[2]。目前，很多学者研究具备高电压变比的直流变换器，文献[3]提出基于两级结构的二次型Boost变换器提高输出电压变比，然而其拓扑结构过于复杂，且由于两级式结构，其功率变换需要两个阶段，导致输出效率不高。文献[4]提出采用多绕组耦合电感级联开关电容的方法构造出高增益Boost变换器，但是由于现阶段电感设计和加工的工艺水平有限，其变换器耦合电感存在较大漏感，且不易消除，这导致该拓扑难以推广和实现批量化应用，实用性不高。 文献[5]提出基于多个开关电感的有源网络高增益Boost变换器，可实现非极限占空比下高电压增益，电压应力较小，且可以实现不同工作场合下的功率任意拓展，但是该拓扑电流纹波较大，导致效率不高，其稳定性和动态响应特性亦不好。文献[6~8]采用多路输入获得高增益性能，但变换器成本较高，仅适用于特种电源场合，实用价值不高。文献[9~[12]均提出了采用开关耦合电感的方式实现高增益，且拓扑具有软开关、低电压应力和高效率的优点，但文献中只是对传统变换器电感进行简单的替换，并没有对开关耦合电感进行磁集成研究，因此体积和重量大幅增加，降低了变换器的功率密度。文献[13]采用了Boost多电平方案，但较多的电平数，大量的电容会增加拓扑复杂性。文献[14]采用有源网络开关电容单元结构大幅提高了变换器的增益，但存在电流纹波大，导致变换器稳定性下降等问题。 针对上述问题，笔者提出一种含开关耦合电感的高增益、低应力、高动态响应、低纹波的非隔离型Boost变换器。针对开关电感单元中较多的磁性元件增加了变换器体积，恶化输出纹波，降低变换器稳定性的难题，本文提出利用平面阵列化集成磁技术，将单元开关电感中分立电感绕制在一副或多幅磁芯，集成辐合开关耦合电感，并结合交错控制，可以降低电流纹波，改善动态响应特性，并提高功率密度和转换效率。多相交错并联控制技术结合开关耦合电感倍压增益单元，还可以实现相数扩展和系统扩容。通过分析变换器工作特性，进行变换器等效电感分析和耦合电感设计，并给出设计准则，最后通过一台5000W样机的稳态和暂态实验，验证了上述理论分析。
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