0 引言

    能源是整個人類社會發展與進步的物質基礎和動力來源。隨著人類社會的飛速發展，煤炭、石油等不可再生能源的消耗量日益增加，能源衰竭、環境污染等問題已經嚴重影響了社會的可持續發展^[1-3]。近十年來新能源作為解決能源危機，實現人類社會可持續健康發展的清潔能源，逐漸成為各國科學家研究的熱點。但由于新能源分布范圍廣，且易受到地理環境和天氣的影響，存在著不穩定、不連續等缺點，因此將多種分布式能源采用多輸入直流變換器將其聯合，組成聯合供電系統，不僅可簡化電路結構、避免獨立供電不穩定和不連續的缺點，同時也可提高分布式發電系統供電的可靠性^[4-7]。

    近年來國內外學者對多輸入直流變換器進行了深入的研究，并相繼提出了多種多輸入拓撲，尤以雙輸入拓撲研究最為全面。如：文獻[3]、[5]各自提出了一種雙輸入Buck變換器，由文獻[2]對其總結可知，所提變換器雖具有結構簡單、開關電壓應力低，且可實現多種能源輸入等優點，但是由于其拓撲的局限性即此拓撲僅是降壓變換器，電壓增益低，不能滿足并網逆變器的需要。為此文獻[2]、[7]分別提出來一種新型雙輸入升壓拓撲，所提拓撲雖彌補了文獻[3]、[5]中拓撲電壓增益低的缺陷，但依然具有局限性即僅是升壓變換器，即不能滿足同時需要升降壓的應用場合。為實現雙輸入升降壓，文獻[8]提出了一種雙輸入Buck-boost變換器，該拓撲雖能實現電壓升降輸出且電壓增益高，但輸出電壓為負極性的，因而不滿足分布式發電系統并網的要求。文獻[9]也提出了一種耦合電感雙輸入升降壓變換器，所提變換器雖能實現分布式發電系統并網，但拓撲結構與控制策略復雜，實現難度大。

    為彌補上述變換器的不足，本文提出一種新型雙輸入Sepic變換器，該變換器具有結構簡單、升降壓輸入/輸出電壓同極性、開關電壓應力低，而且可允許多種形式的能源輸入等優點。

1 拓撲結構及工作原理

    新型雙輸入Sepic變換器如圖1所示，由4個升壓電感L₁、L₂、L₃、L₄，2個開關管Q₁、Q₂，2個續流二極管D₁、D₂，4個升壓電容C₁、C₂、C₃、C₄及負載R構成。根據輸入源的數量，有單輸入和雙輸入兩種工作狀態。下面詳細分析兩種輸入狀態下電路的工作原理。

1.1 單輸入狀態的工作原理

    當直流電源U₁、U₂分別單輸入時其工作原理與傳統單輸入Sepic變換器的工作原理類似，以U₁單輸入時為例分析其穩態情況下的工作原理。為方便分析，假設變換器各元器件均為理想器件，且電路工作在CCM模式。圖2為其拓撲開關模態的等效電路。

    在單電源U₁輸入時，1個開關周期T_s內，拓撲有2種工作模態：模態1：Q₁、Q₂關斷，U₁—L₁—C₁—D₁—負載—D₂—L₄回路、L₃—D₁—C₃回路、L₄—D₂—C₄回路同時導通，此時電源U₁與電感L₁向電容C₁、C₃與負載供電。模態2：Q₁導通D₂關斷，U₁—L₁—Q₁回路、C₁—Q₁—L₃回路、C₃—負載—D₂—L₄回路、L₄—D₂—C₄回路同時導通，此時電容C₃、C₄向負載供電，電感L₁、L₃電流增大電感儲能。由上分析可知，電感L₄在整個開關周期內并未受到電源激勵，它只是作為回路通道，同時由于二極管D₂具有0.7 V的導通壓降，因此穩態后U_o2=-0.7 V。 

    對電感L₁、L₂應用伏秒平衡原理可得：

其中，D₁為開關管Q₁開通占空比，U_o2、U_o1分別為電容C₃、C₄兩端電壓，由此可知拓撲工作在單輸入狀態時，電壓增益與傳統Sepic變換器相同。

1.2 雙輸入狀態的工作原理

    當有2個輸入源時即工作在雙輸入狀態時，為方便本文分析，假設變換器各元器件均為理想器件，且電路工作在CCM模式。雙輸入時電路拓撲存在4種開關模式，即在Q₁、Q₂開關周期與占空比相同或不同的情況下，變換器可能4種工作模式同時存在，也可能部分存在。設在不同開關周期內變換器出現4種工作模式，圖3為電路工作模式。

    工作模式I：設工作時間在[t₀，t₁]，圖3模態1為其等效電路圖。Q₁、Q₂同時開通，電源U₁與U₂分別對升壓電感L₁、L₂充電，L₁、L₂電流線性增加，電容C₁、C₂分別向電感L₃、L₄充電，L₁、L₂電流線性增加，串聯電容C₃、C₄向負載供電。此時有：

    工作模式IV：設工作時間在[t₃，t₄]，圖3模態4為其等效電路圖。Q₁、Q₂同時關斷，電源U₁與電感L₁向電容C₁充電，電源U₂與L₂向電容C₂充電，電感L₃、L₄分別向電容C₃、C₄充電，C₃、C₄共同向負載供電。此時有：

    綜上分析可得，所提拓撲在雙電源輸入時，U₁、U₂工作電路具有獨立性，在Q₁、Q₂開關周期與占空比相同或不同時，其變換器的運行狀態是1~4種模式中任意幾種模式有規律的組合，且不管工作在何種模態下，輸出電壓U_out恒為U_o1+U_o2。當U₁、U₂兩個輸入源同時向負載R供電時，拓撲的輸出電壓是2個傳統Sepic變換器輸出電壓的串聯。當Q₁、Q₂開通時刻一樣而開關周期與導通時間相同或不同時，電路中會出現多種工作模態，詳見表1。

    根據文獻[2]闡述可知，為減小電路中電磁干擾，Q₁、Q₂開關管應工作在相同開關頻率下，此時它們可工作在交錯控制狀態或同時開通狀態。當在同時開通狀態時由表1可知工作模式只有I、IV。當工作在交錯控制狀態時：本文以變換器工作狀態依次是I、II、I、III為例加以分析，圖4為工作在交錯控制狀態時電路主要工作波形圖。

2 輸入/輸出的數量關系

    對L₁、L₂、L₃、L₄應用電感的伏秒平衡原理，可得下式：

    與文獻[1]～[5]對比發現，本文所提的拓撲結構不僅繼承了上述文獻所具有的優點，即提高了系統的穩定性和靈活性，實現了能源的綜合利用，同時可彌補文獻[1]～[5]只能升壓或降壓的不足，且進一步提高了電壓增益。綜合上述分析，本拓撲不僅可工作在單輸入，亦可工作在雙輸入狀態，且都具有良好的性能，可根據不同場合結合使用。

3 仿真實驗驗證

    為驗證所提拓撲理論分析的正確性，在實驗室利用MATLAB對交錯控制狀態進行仿真實驗。實驗數據如下：U₁=50 V，U₂=60 V；L₁=L₂=L₃=L₄=2 mH；C₁=C₂=10 μF，C₃=C₄=100 μF；負載R=300 Ω；f₂=f₁=10 kHz且Q₂延遲5 μs導通；D₂=D₁=0.6。

    在MATLAB/Simulink中建立雙輸入Sepic變換器開環控制仿真電路模型，仿真波形如圖5所示，圖5(a)為Q₁、Q₂開關波形；圖5(b)為電感L₁、L₂電流波形圖；圖5(c)、圖5(d)分別為電路穩定后電感L₃、L₄兩端電壓波形；圖5(e)為電壓U_o1、U_o2、U_out輸出波形。

4 結論

    本文提出了一種新型雙輸入Sepic變換器拓撲結構，該變換器具有結構簡單、電壓增益高、開關器件電壓應力低等優點，且變換器可工作在單電源和雙電源輸入兩種不同狀態。基于對工作原理的分析，推導出拓撲的輸入/輸出關系，并通過MATLAB仿真驗證了理論分析的正確性。同時由于所提拓撲具有升降壓、輸入/輸出同級性的特點，因而可用于分布式風光互補發電系統中，避免獨立光伏或風力發電供電不足的缺點。

參考文獻

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作者信息：

蘭志勇，陳禮俊，焦  石，李  理，王  波，徐  琛

(湘潭大學 信息工程學院，湖南 湘潭411105)