谐振电感升压DC/DC转换器

在 EV 和 HEV 中，电压转换范围不同，从非常低 （0.8 V） 到非常高 （450 到 800 V）。这激发了人们对开发新技术来生产DC/DC 转换器的兴趣，这些转换器不仅高效，为特定应用提供精确的价值，而且还提供更少的功率损耗。对于高电压增益，使用 LC 谐振回路，其缺点是依赖于负载并且还会产生无功电流，从而降低效率。2为了克服这个缺点，使用匝数多的变压器来获得高电压增益。3，4大量匝数会引入大漏电流，导致电压下降，从而降低转换的电压增益。尽管可以使用串联电容器来补偿电压降，但实现高电压增益是一种困难的方法。5，6在本文中，我们将讨论具有非常高电压增益的谐振电感升压 DC/DC 转换器。它们具有单个开关谐振逆变器，可为变压器提供高频交流电压，以及 Cockcraft-Walton （CW） 乘法器，可对变压器的输出进行整流并将其升压至高直流电压。

转换器电路及工作原理

图 1显示了谐振电感升压DC/DC转换器的电路图。它由三部分组成。第一部分称为谐振逆变器，它由电感器、开关和电容器组成。第二部分是电感升压，它有一个电容器和一个空芯变压器。变压器初级和次级之间的匝数比为“n”，耦合系数为“k”。因此，变压器的可实现增益由公式n/k 给出。这有助于克服松耦合变压器的缺点，并允许高电压增益。1最后一部分包含一个 CW 整流器。它由多个电容器和二极管组成。这部分将来自变压器的交流输出整流和升压为高直流电压输出。

首先，打开单开关谐振逆变器，产生交流波形，然后通过电感来减少输入电压的波动，从而提供连续的电流源。1在开关 S 导通之前，交流波形达到 0，使能零电压开关 （ZVS）。在 ZVS 操作中，在打开开关之前，并联电容器将电压谐振到 0。然后将此交流电压提供给空芯变压器，空芯变压器放大其幅度。放大的交流电压然后通过 CW 乘法器，它将放大的交流电压整流成非常高的直流电压。通过计算电感升压电路元件的正确值，我们可以设计一个具有非常高且与负载无关的电压增益的转换器。

图1：谐振电感升压DC/DC转换器电路图

设计指标

在谐振电感升压中，最重要的组件是谐振组件。在普通的基于 PWM 的 DC/DC 转换器中，Lf 等元件和 CW 整流器中的电容器应以相同的方式选择。7建议的 DC/DC 转换器中的 L1、L2、Cr、Cf 和 k 等谐振组件负责两件事：

开关的ZVS操作

与负载无关的电压增益

为我们的原型选择的这些组件的价值如下：

L1 = 1.1 µH

L2 = 17.6 µH

Cr = 137 nF

Cf = 120 nF

k = 0.59

原型和效率

图 2显示了谐振电感升压 DC/DC 转换器的原型。规格为输入电压为 9 V，输出电压为 800 V， 开关频率为 500 kHz，功耗为 45 W。1实验表明，在 8.57-V 输入时，输出电压为 753.23 V，即大约是输入电压的 87.9 倍。开关的电压应力为输出电压的 4%，约为 30V。低应力电压意味着转换器的效率和成本效益更高。

实验结果还表明，在低输入电压下，由于CW整流器中的压降，转换器的效率也较低，但随着输入电压的增加，其效率有增加的趋势。例如，在 1V 输入时，效率约为 75%，随着输入电压的增加，效率会增加到 85%。最大效率在 6.57 V 时实现，其中输出电压为 560.29 V，效率为 87.9%。1

图 2：谐振电感升压 DC/DC 转换器的原型

分析结论

谐振电感升压 DC/DC 转换器是一个复杂的电路，但提供与负载无关的高直流电压。文章将电压的高增益可视化，实验结果还表明，89% 的效率是可以实现的。它还表明电压 89 倍有增益，并且有一个低输入电压，可提高转换器的性能。该技术和实验工作表明谐振电感技术用于不同的应用并且需要非常低的输入。它允许对输入电压进行两级升压，还可以通过提高电流来提高变压器的性能。主开关提供完美的ZVS操作，以执行整个电感谐振技术。它可以用于不同的应用，尤其是电动汽车和混合动力汽车，因为它们需要高电平的电压转换来为发动机供电。也可用于电动汽车的充电系统。

审核编辑：郭婷