В электромобилях и HEV существуют различные диапазоны преобразования напряжения, от очень низкого (0,8 В) до очень высокого (от 450 до 800 В). Это вызвало интерес к разработке новых методов получения Преобразователи постоянного тока которые не только эффективны и обеспечивают точное значение для определенного применения, но и обеспечивают меньшие потери мощности. Для усиления по высокому напряжению используется LC-резонансный резервуар, который имеет недостаток, зависящий от нагрузки, а также вырабатывает реактивный ток, что снижает КПД.² Чтобы преодолеть этот недостаток, для усиления высокого напряжения используется трансформатор с большим количеством витков.^3,4 Большое количество витков приводит к большому току утечки, который вызывает падение напряжения, что снижает коэффициент усиления преобразования по напряжению. Хотя для компенсации падения напряжения можно использовать последовательно подключенный конденсатор, добиться высокого усиления по напряжению при таком подходе сложно.^5,6 В этой статье мы обсудим резонансные индуктивные повышающие преобразователи постоянного тока с очень высоким коэффициентом усиления по напряжению. Они оснащены резонансным инвертором с одним переключателем, который подает на трансформатор переменное напряжение высокой частоты, и умножителем Коккрафта-Уолтона (CW), который выпрямляет выходной сигнал трансформатора и повышает его до высокого постоянного напряжения.

Схема и принцип работы преобразователя

Рисунок 1 показана принципиальная схема резонансного индуктивного усиления Постоянный ток/DC конвертер. Она состоит из трех частей. Первая часть называется резонансным инвертором, который состоит из катушки индуктивности, переключателя и конденсатора. Вторая часть — это индуктивный усилитель, который состоит из конденсатора и трансформатора с воздушным сердечником. Коэффициент поворота между первичной и вторичной обмотками трансформатора равен “n”, а коэффициент связи равен “k”. Таким образом, достижимый коэффициент усиления трансформатора определяется формулой n/k. Это помогает преодолеть недостаток слабосвязанного трансформатора, а также обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению.¹ Последняя часть содержит выпрямитель постоянного тока. Он состоит из множества конденсаторов и диодов. Эта деталь выпрямляет и усиливает выход переменного тока, поступающий от трансформатора, в высокое выходное напряжение постоянного тока.

Прежде всего, резонансный инвертор с одним переключателем размыкается для получения сигнала переменного тока, который затем проходит через катушку индуктивности, чтобы уменьшить колебания входного напряжения и обеспечить непрерывный источник тока.¹ Перед включением переключателя S форма сигнала переменного тока достигает 0, что включает переключатель нулевого напряжения (ZVS). При работе ZVS, перед включением переключателя, конденсатор параллельно резонирует с напряжением до 0. Это переменное напряжение затем подается на трансформатор с воздушным сердечником, который усиливает его амплитуду. Затем усиленное переменное напряжение проходит через постоянный умножитель, который выпрямляет усиленное переменное напряжение в очень высокое постоянное напряжение. Рассчитав правильные значения компонентов схемы индуктивного усиления, мы можем спроектировать преобразователь с очень высоким коэффициентом усиления по напряжению, не зависящим от нагрузки.

Технические характеристики конструкции

В резонансном индуктивном усилении наиболее важными компонентами являются резонансные компоненты. Такие компоненты, как НЧ и конденсаторы в выпрямителе постоянного тока, должны выбираться таким же образом в обычных преобразователях постоянного тока на основе ШИМ.⁷ Резонансные компоненты, такие как L1, L2, Cr, Cf и k в предлагаемом преобразователе постоянного тока, отвечают за две вещи:

• Работа переключателя ZVS
• Коэффициент усиления напряжения, не зависящий от нагрузки

Значения этих компонентов, выбранных для нашего прототипа, следующие:

• L1 = 1,1 мкч
• L2 = 17,6 мкч
• Cr = 137 нФ
• Cf = 120 нФ
• k = 0,59

Прототип и эффективность

Рисунок 2 показан прототип резонансного индуктивного повышающего преобразователя постоянного тока в постоянный. Технические характеристики — входное напряжение 9 В и выходное напряжение 800 В, с частотой переключения 500 кГц и потребляемой мощностью 45 Вт.¹ Эксперименты показали, что при входном напряжении 8,57 В выходное напряжение составляет 753,23 В, что примерно в 87,9 раза превышает входное напряжение. Напряжение переключения составляет 4% от выходного напряжения, что составляет около 30 В. Напряжение с низким напряжением означает более эффективный и экономичный преобразователь.

Экспериментальные результаты также показали, что при низком входном напряжении КПД преобразователя также низок из-за падения напряжения в выпрямителе постоянного тока, но он имеет тенденцию увеличиваться с увеличением входного напряжения. Например, на входе 1 В КПД составляет около 75%, который увеличивается до 85% с увеличением входного напряжения. Максимальная эффективность достигается при 6,57 В, где выходное напряжение составляет 560,29 В, а КПД составляет 87,9%.¹

Анализ и заключение

Резонансный индуктивный повышающий преобразователь постоянного тока представляет собой сложную схему, но обеспечивает высокое напряжение постоянного тока, независимое от нагрузки. В статье визуализируется высокий коэффициент усиления по напряжению, а экспериментальный результат также показывает, что КПД в 89% вполне достижим. Это также показывает, что есть усиление в напряжении 89 × и есть низкое входное напряжение, которое повышает производительность преобразователя. Этот метод и экспериментальная работа предполагают, что резонансная индуктивная техника используется в различных приложениях и требует очень низких входных данных. Это позволяет в два этапа повышать входное напряжение, а также повышает производительность трансформатора за счет увеличения тока. Главный выключатель оснащен идеальной системой ZVS для выполнения всей индуктивно-резонансной техники. Он может использоваться в различных приложениях, особенно в электромобилях и HEV, поскольку для питания двигателей требуется преобразование напряжения высокого уровня. Он также может быть использован в системах зарядки электромобилей.

Рекомендации

¹Керуи Ли, Сью-Чонг Тан и Рон Шу Юен Хуэй, факультет электротехники и электроники Гонконгского университета.

²К. Ли, С. К. Тан и А. Иоиновичи, “Резонансный преобразователь постоянного тока с усилением гармоник постоянного тока со смещением по постоянному току с высоким коэффициентом преобразования с ZVS во всем диапазоне нагрузок”, Доклад Конференции и экспозиции IEEE Applied Power Electronics 2019 (APEC), Анахайм, Калифорния, США, 2019, стр. 1307-1312.

³С. Парк, Л. Гу и Дж. Ривас-Давила, “Преобразователь постоянного тока с входным и параллельным выходом от 60 В до 35 кВ с использованием многоуровневых выпрямителей classDE”, Proc. 2018 Конференция и выставка IEEE Applied Power Electronics (APEC), Сан-Антонио, Техас, 2018, стр. 2235-2241.

⁴М. Ниманд и М. А. Э. Андерсен, “Высокоэффективный изолированный повышающий преобразователь постоянного тока для мощных низковольтных топливных элементов”, IEEE Trans Ind. Электрон., том 57, № 2, стр. 505-514, февраль 2010.

⁵X. Сан, Y. Шен, Y. Чжу и X. Го, “Резонансный преобразователь с чередованием boostintegrated LLC с ШИМ-управлением с фиксированной частотой для приложений для производства возобновляемой энергии”, IEEE Trans. Силовой электрон., том 30, № 8, стр. 4312-4326, август 2015.

⁶Ю. Шен, Х. Ван, З. Шен, Ю. Янг и Ф. Блаабьерг, “Резонансный преобразователь постоянного тока серии 1 МГц с двухрежимным выпрямителем для фотоэлектрических микроинвертеров”, IEEE Trans. Силовой электрон., том 34, № 7, стр. 6544-6564, июль 2019.

⁷А. Иоиновичи, “Силовая электроника и системы преобразования энергии”, Том 1, John Wiley @ Sons, Чичестер, Великобритания, 2013.