0 引言

    能源危機(jī)、環(huán)境污染的日益嚴(yán)重促進(jìn)了新能源的發(fā)展，以光伏、燃料電池為代表的新能源的輸出多是低壓直流電^[1]，需將其升壓逆變器后接入電網(wǎng)，因此，高增益直流變換器起到重要作用^[2]。

    理想情況下，傳統(tǒng)的Boost升壓電路在占空比接近于1時(shí)，增益可達(dá)無(wú)窮大，但由于寄生參數(shù)的影響，實(shí)際最高增益只有4～5倍^[3]，無(wú)法滿足低壓電源輸入時(shí)對(duì)增益的要求。近些年，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者在傳統(tǒng)直流變換器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了一系列的高增益直流變換器的拓?fù)?，其中包括倍?Voltage multiplier)電路^[4]、開(kāi)關(guān)電容(Switched-capacitor)電路^[5]、耦合電感(Coupled-inductor)電路^[6]、級(jí)聯(lián)(Cascaded)電路^[7]等，但它們都存在各自的缺點(diǎn)，如：倍壓電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高；開(kāi)關(guān)電容電路增益低且不連續(xù)；耦合電感電路中，漏感易造成電壓尖峰，對(duì)器件要求高；級(jí)聯(lián)電路級(jí)數(shù)多，效率低等。另一類的高增益拓?fù)洹猌源變換器^[8-10]，自2002年提出以來(lái)，也受到廣泛關(guān)注，其通過(guò)阻抗源將增益由Boost電路的1/(1-D)提高至1/(1-2D)，但與傳統(tǒng)的Boost有著同樣的缺陷，即：增益受開(kāi)關(guān)管、二極管的寄生參數(shù)的影響較大。同時(shí)，已有的結(jié)構(gòu)有個(gè)共同的缺陷，即輸出端需要一個(gè)耐壓和輸出電壓相同的大電容濾波，當(dāng)輸出電壓越高時(shí)，輸出電容越大，不利于系統(tǒng)的集成。

    本文在已有直流變換器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種輸出電容串聯(lián)型高增益直流變換器，所有的電容和輸入電源串聯(lián)起來(lái)給負(fù)載供電，減小了電容的電壓等級(jí)，因此使得逆變器體積小型化；同時(shí)，可通過(guò)多個(gè)單元的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)更高的增益。本文從原理分析、仿真和實(shí)驗(yàn)的角度驗(yàn)證了提出的結(jié)構(gòu)的可行性。

1 電路結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 電路結(jié)構(gòu)

    本文提出的輸出電容串聯(lián)型高增益直流變換器一般結(jié)構(gòu)的電路如圖1所示，包含電源V_i、電容C₁~C₃、二極管D₁~D₅、電感L₁~L₃、開(kāi)關(guān)管S和負(fù)載電阻R_o。輸入電源V_i和電容C₁~C₃串聯(lián)向負(fù)載供電，理想情況下，輸出電壓V_o=V_i/(1-D)³，其中，D為開(kāi)關(guān)管S的占空比(0<D<1)。

1.2 工作原理

    高增益直流變換器的工作波形如圖2所示，一個(gè)周期包括兩種工作模態(tài)，模態(tài)1：開(kāi)關(guān)管S閉合，電感L₁~L₃充電、電流C₁~C₃放電；模態(tài)2：開(kāi)關(guān)管S斷開(kāi)，電感L₁~L₃放電、電容C₁~C₃充電。

    為簡(jiǎn)化分析，做如下假設(shè)：(1)電容C₁~C₃容量足夠大，電壓紋波為0；(2)電感L₁~L₃直流阻抗為0；(3)電路中半導(dǎo)體器件均為理想器件，即二極管正向壓降和開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通電阻為0；(4)電路已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，并且工作在CCM狀態(tài)。

    具體分析如下：

    模態(tài)1(0<t<DT)：模態(tài)1的電流回路如圖3(a)所示，開(kāi)關(guān)管S閉合，二極管D₁、D₃、D₅反向偏置，二極管D₂和D₄正向?qū)?；輸入電源V_i給電感L₁充電；輸入電源V_i和電容C₁串聯(lián)給電感L₂充電；輸入電源V_i和電容C₁~C₂串聯(lián)給電感L₃充電；輸入電源Vi和電容C₁~C₃串聯(lián)給負(fù)載供電。模態(tài)1過(guò)程中，電感L₁~L₃上的電流變換量和變換器輸出電壓分別為：

    由工作與連續(xù)狀態(tài)的電感伏秒平衡可得：模態(tài)1和模態(tài)2的電感電流的變化量相等，即：

2 參數(shù)分析與比較

2.1 電容參數(shù)設(shè)計(jì)

    選擇合適的電容值使電容上的電壓紋波滿足要求。開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通期間，電容C₁~C₃和電源V_i串聯(lián)負(fù)載供電，同時(shí)電容C₁和電源串聯(lián)給電感L₂充電；電容C₁~C₂和電源串聯(lián)給電感L₃充電，則開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通期間，電容C₁~C₃上的平均電流分別為：

2.2 電感參數(shù)設(shè)計(jì)

    選擇合適的電感值使電容上的電流紋波滿足要求?？紤]電感上電流的波動(dòng)范圍為x_L%，則電感L₁~L₃的電感值分別為：

    在后續(xù)章節(jié)的實(shí)驗(yàn)和仿真中波依據(jù)式(23)~式(25)對(duì)電感進(jìn)行了合適的選取。

3 實(shí)驗(yàn)分析

    為了驗(yàn)證所提出拓?fù)淅碚摲治龅恼_性和可行性，設(shè)計(jì)了一臺(tái)小型的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，其器件型號(hào)如表1所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程的關(guān)鍵波形分別如圖4~圖6所示，具體分析如下：

    (1)由圖4可知，實(shí)驗(yàn)波形和理論分析、仿真相一致。

    (2)由圖5可知，串聯(lián)電容兩端電壓分別為20 V、40 V和80 V，因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)很好地驗(yàn)證了在上述在理論和仿真分析過(guò)程中的正確性和可行性。

    (3)圖6是輸出電壓波形和放大后的輸出紋波。出于對(duì)整個(gè)樣機(jī)體積的考慮，輸出電容選用220 μF/250 V，因此存在紋波，但輸出電壓均在147.23 V到153.66 V波動(dòng)，20 V DC電壓輸入下4.04%波動(dòng)(在可接受范圍內(nèi))且近似160 V平穩(wěn)輸出，很好地驗(yàn)證了本文提出高增益電路的性能和可行性。

4 結(jié)論

    本文比較了現(xiàn)有直流變換器增益受寄生參數(shù)影響較大和輸出電容高耐壓的缺點(diǎn)，提出了高增益低電容耐壓的輸出電容串型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過(guò)串聯(lián)電容和級(jí)聯(lián)Boost電路在實(shí)現(xiàn)相同倍數(shù)增益的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中開(kāi)關(guān)管使用最少，因此損耗更小。通過(guò)串聯(lián)結(jié)構(gòu)減少了輸出電容的耐壓，使得拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加小型化，而且具有很好的擴(kuò)張性，僅需增加一個(gè)電容、電感和二極管就可以實(shí)現(xiàn)電壓增益指數(shù)的增加。最后，通過(guò)20 V直流輸入電壓樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高增益電壓的可行性。

參考文獻(xiàn)

[1] PRABHALA V A K，F(xiàn)AJRI P，GOURIBHATLA V S P，et al.A dc-dc converter with high voltage gain and two input boost stages[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2016，31(6)：4206-4215.

[2] TANG Y，F(xiàn)U D，WANG T，et al.Hybrid switched-inductor converters for high step-up conversion[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2015，62(3)：1480-1490.

[3] Li Shouxiang，Zheng Yifei，Wu Bin，et al.A family of resonant two-switch boosting switched capacitor converter with ZVS operation and a wide line regulation range[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2017，33(1)：448-459.

[4] PRUDENTE M，PFITSCHER L L，EMMENDOERFER G，et al.Voltage multiplier cells applied to non-isolated dc-dc converters[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2008，23(2)：871-887.

[5] Zeng Jun，Wu Jialei，Liu Junfen.A novel high-frequency multilevel inverter with capacitors self-balancing[J].Proceedings of the CSEE，2016，36(19)：5326-5333.

[6] WAI R J，LIN C Y，DUAN R Y，et al.High-efficiency dc-dc converter with high voltage gain and reduced switch stress[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2007，54(1)：354-364.

[7] ZHANG G，ZHANG B，LI Z，et al.A3-Z-network boost converter[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2015，62(1)：278-288.

[8] PENG F.Z-source inverter[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2003，39(2)：504-510.

[9] 曾君，吳佳磊，劉俊峰.新型電容自均壓多電平高配逆變器[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，36(19)：5326-5333.

[10] TRABELSI M，ABU-RUB H，MALINOWSKI M.Finite-control-set model-predictive control for a quasi-Z-source four-leg inverter under unbalanced load condition[J].IEEETransactions on Industrial Electronics，2017，64(4)：2560-2569.

作者信息:

梁國(guó)壯，田涵雷

（河北科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 石家莊050018）