0 引言

    由于單塊光伏板輸出的電壓一般為33～43 V，難以滿足逆變并網系統對高壓直流電的要求^[1]；常見的傳統Boost升壓變換器又不適用于電壓增益超過6的場合^[2-3]；隔離型直流升壓變換器體積較大、其對電能的能量轉換效率亦不可能較高^[4-5]，因此現階段常用于光伏發電系統中的直流升壓變換器多是非隔離型的^[7-8]。

    本文針對光伏發電系統中對直流升壓變換器的要求，提出了一種基于DCM模塊的高增益非隔離型直流升壓變換器。首先分析了該高增益直流升壓變換器的工作原理及其性能特點，并就其主要性能與現階段的一些其他高增益直流變換器進行了對比研究。最終通過實驗室一臺額定功率為170 W的實驗樣機證實了該變換器的有效性。

1 工作原理

    本文提出的基于DCM(Diode-Capacitor Module)的級聯型直流升壓變換器如圖1所示。為了簡化后續分析，現對拓撲結構中的元器件作如下假設：(1)忽略結構中所有元器件的寄生參數；(2)結構中所有電感工作在連續傳導模式(Continuous Conduction Model，CCM)；(3)結構中所有電容兩端的電壓恒定。

    所提變換器拓撲結構中部分元器件的波形如圖2所示。其中i_L1、i_L2分別為流經電感L₁和L₂的電流，V_C1、V_C2分別為加載在電容C₁和C₂兩端的電壓，V_D1、V_D2分別為加載在二極管D1和D2兩端的電壓。其中T_on、T_off分別為開關管S在一個時鐘周期T內的導通與關斷時間。

    由于所提變換器工作在CCM模式下，因此其有兩種工作狀態：開關管S導通與斷開。

    (1)開關管S導通

    當開關管S閉合導通時，其等效電路如圖3(a)所示。其中二極管D1、D3、D5關斷，二極管D2、D4導通。此時變換器中有4個回路。回路1：電源V_DC通過二極管D2和開關管S給電感L₁充電；回路2：電容C₁通過開關管S給電感L₁充電；回路3：電容C₃通過二極管D4與開關管S給電容C₂供電；回路4：電容C₃和電容C₄串聯給負載R供電。

    由回路1可得：

    (2)開關管S斷開

    當開關管S斷開時，其等效電路如圖3(b)所示。其中二極管D1、D3、D5導通，二極管D2、D4斷開。此時變換器中有4個回路。回路1：電源V_DC和電感L₁串聯，通過二極管D1給電容C₁充電；回路2：電容C₁和電感L₂串聯，通過二極管D3給電容C₃充電；回路3：電容C₂通過二極管D3和D5給電容C₄充電；回路4：電容C₃和電容C₄串聯給負載R供電。

    由回路1可得：

    由回路3可得：

2 性能分析

2.1 電壓增益M

    對電感L₁運用伏秒平衡：

2.2 電壓應力

    (1)開關管S電壓應力V_vpS

    由圖3(b)回路2可知：

    (2)二極管電壓應力V_vpD

    由圖3(a)回路1可知：

3 變換器的性能對比

    表1列出了本文所提變換器與文獻[7]、文獻[8]和傳統Boost電路在連續傳導模式下的性能比較。

    由表1中參數M_CCM可知，本文所提變換器具有較高的電壓增益，能夠很好地滿足新能源發電系統中對高增益直流升壓變換器的要求。由表1中參數V_vpS可知，本文所提變換器中的開關管具有較低的開關管電壓應力，能很好地降低能量在開關管上的損耗，在實際元器件選型時，低耐壓開關管就能滿足變換器需求，能很好地降低元器件成本。由表1中參數V_vpD1可知，本文所提變換器中的二極管具有較低的電壓應力，該變換器在實際工作中能有效降低能量在二極管上的損耗，能有效提高變換器整體的能量轉換效率。

4 實驗研究

    為了驗證對本文所提變換器所做分析的正確性，在實驗室根據拓撲結構圖1制作了一臺額定功率為170 W的實驗樣機。實驗用參數如表2所示。

    圖4所示為試驗過程中加載于開關管S柵極與源極之間的驅動信號V_gs及其漏極與源極兩端的電壓應力V_vpS的曲線，由此可知開關管S控制信號的占空比D=0.5，其電壓應力讀數為80 V，與理論計算值相符。圖5所示為實驗樣機的輸入電壓V_DC和輸出電壓V_O的實驗波形，其讀數值分別為20 V和160 V，其與理論計算值相符。圖6所示為實驗樣機中二極管D1和D2兩端的電壓值V_D1、V_D2，即其電壓應力V_vpD1、V_vpD2，其讀數值均為40 V，與理論計算值相一致。

5 結論

    為了滿足新能源發電系統中對高增益直流升壓變換器的要求及迎合電動汽車中需要多級供電的運用場合，本文提出了一種基于DCM模塊的高增益直流升壓變換器。首先分析了該變換器的工作原理及其性能特點，并就其主要性能參數和現階段的一些其他高增益直流變換器進行了對比認識。最終通過實驗室一臺170 W的實驗樣機證實了該變換器的有效性。實驗結果表明該變換器具有電壓增益高、開關管和其二極管電壓應力較低等特點。其能很好地滿足新能源領域中對高增益直流升壓變換器的要求。

參考文獻

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[8] 陳庚，董秀成，李浩然，等.非隔離新型高增益DC-DC升壓變換器[J].電源學報，2017，15(5)：46-51.

作者信息:

魏  振，江智軍，楊曉輝

（南昌大學 信息工程學院，江西 南昌330031）