0 引言

    隨著不可再生資源的消耗，使得發(fā)展綠色能源成為必然。而以新能源為首的光伏發(fā)電、燃料電池等輸出的電壓較低，為滿足能與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，必須將光伏板、燃料電池輸出的低壓升高很多倍^[1-3]。傳統(tǒng)的Boost變換器輸出電壓增益有限，且開關(guān)管的電壓應(yīng)力較大。

    目前，基于Boost變換器，提出了許多新型高增益升壓變換器。文獻(xiàn)[4-5] 提出了級聯(lián)型Boost升壓變換器，但所用功率器件多，效率低下，且后級功率器件電壓應(yīng)力較高。文獻(xiàn)[6]提出了采用泵升電容高增益直流變換器，該變換器將基于泵升模塊的級聯(lián)型升壓變換器前一級的輸出電容和二極管去掉，進(jìn)而可以將增益擴(kuò)大一倍，但其開關(guān)管和輸出二極管的電壓應(yīng)力較大，且該變換器的電壓增益仍然有限。文獻(xiàn)[7-9]提出了基于耦合電感的高增益變換器，利用增加耦合電感繞組匝比來提高輸出電壓增益，但這樣會(huì)導(dǎo)致耦合電感漏感增加，進(jìn)而使得開關(guān)管關(guān)斷時(shí)存在很高的電壓尖峰，容易損壞開關(guān)管，加入箝位電路又會(huì)增加變換器的復(fù)雜性和損耗。

    本文以文獻(xiàn)[6]的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過對電路結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，提出了單開關(guān)低電壓應(yīng)力的高增益Boost變換器。該變換器引入了開關(guān)電感和開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)使得電壓增益進(jìn)一步提高，降低了開關(guān)管、二極管的電壓應(yīng)力，減少了開關(guān)管的數(shù)量。

1 變換器拓?fù)浞治?/strong>

1.1 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    圖1給出了本文提出的單開關(guān)低電壓應(yīng)力的高增益Boost變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)渲饕砷_關(guān)電感網(wǎng)絡(luò)(L₁、L₂、D₂、D₃、D₄)、開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)(C₁、C₂、D₅、D₆)、泵升電容CC組成。為了進(jìn)一步提高變換器的功率密度，L₁、L₂繞在同一個(gè)磁芯上，組成耦合電感。

1.2 工作模態(tài)分析

    為了分析的方便，假設(shè)：(1)所有器件不考慮寄生參數(shù)，均是理想器件；(2)電容C₁、C₂、C₀、C_C很大，其電壓紋波可以忽略不計(jì)；(3)電路工作在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)。

    該變換器穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，在一個(gè)開關(guān)周期T_S內(nèi)共有2個(gè)開關(guān)模態(tài)，各個(gè)開關(guān)模態(tài)的主要工作波形及等效電路分別如圖2、圖3所示，各開關(guān)模態(tài)的主要工作過程如下所述。

    (1)工作模態(tài)1[t₀-t₁]：在此階段中，開關(guān)管S導(dǎo)通，二極管D₁、D₂、D₄、D₇導(dǎo)通，D₃、D₅、D₆關(guān)斷。泵升電容C_C和耦合電感L₁、L₂并聯(lián)充電，與此同時(shí)，C₁、C_C、C₂、C₀形成串聯(lián)回路，C₁、C₂放電，C₀、C_C充電。

    (2)工作模態(tài)2[t₁-t₂]：在此階段，開關(guān)管S關(guān)斷，二極管D₃、D₅、D₆導(dǎo)通，D₁、D₂、D₄、D₇關(guān)斷。耦合電感L₁、L₂和泵升電容C_C串聯(lián)放電，C₁、C₂并聯(lián)充電，輸出電容C₀對負(fù)載放電。

2 性能分析

2.1 電壓增益M

    當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，L₁、L₂、C_C并聯(lián)充電，同時(shí)C₁、C₂串聯(lián)放電。

    此時(shí)耦合電感L₁、L₂的電壓為：

    當(dāng)開關(guān)管S關(guān)斷時(shí)，L₁、L₂、C_C串聯(lián)放電，C₁、C₂并聯(lián)充電。

    此時(shí)耦合電感L₁、L₂的電壓為：

2.2 電壓應(yīng)力

    開關(guān)管S、二極管D₁、D₅、D₆、D₇電壓應(yīng)力為：

    圖4給出了元器件電壓應(yīng)力隨占空比變化的曲線。由圖4可知，所有元器件的電壓應(yīng)力都遠(yuǎn)小于輸出電壓Uo，可以采用低電壓應(yīng)力、高性能的開關(guān)管和二極管，進(jìn)而提高整個(gè)電路的效率和可靠性，降低電路的成本。

2.3 各項(xiàng)性能參數(shù)比較

    表1所示為傳統(tǒng)Boost變換器、文獻(xiàn)[6]提出的變換器與本文提出的變換器各項(xiàng)性能參數(shù)的對比，其中M為變換器輸出電壓增益，U_S-stress為開關(guān)管電壓應(yīng)力，U_D-stress為輸出二極管電壓應(yīng)力。由表1可知，本文所提出的變換器具有更高的電壓增益，且開關(guān)管和輸出二極管的電壓應(yīng)力更低，可選取低電壓等級、低導(dǎo)通電阻的開關(guān)管，提高變換器的效率，降低電路成本。相對于文獻(xiàn)[6]，本文提出的變換器開關(guān)管和電感數(shù)量更少，但二極管數(shù)量較多。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

    為了驗(yàn)證以上分析的正確性，搭建了一臺(tái)200 W的原理樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)所需主電路參數(shù)如表2所示，所測得的波形如圖5所示。

    由圖5(c)可見，當(dāng)占空比約為0.7時(shí)，完成了30 V到380 V的高增益轉(zhuǎn)換，避免了極限占空比的出現(xiàn)，電容C₁、C_C的電壓與理論計(jì)算值相符。圖5(a)給出了部分二極管和開關(guān)管漏源極的電壓波形，可以看出二極管和開關(guān)管的電壓應(yīng)力與理論計(jì)算值相符，滿足低電壓應(yīng)力要求。由圖5(b)可以看出二極管的電流波形與理論分析基本相同，而電感L₁、L₂的電流上升的斜率并非完全相同，這是因?yàn)橹谱麟姼袝r(shí)L₁、L₂會(huì)有一定的誤差，導(dǎo)致L₁大于L₂。上述波形在開關(guān)管動(dòng)作時(shí)均會(huì)出現(xiàn)震蕩，主要原因是二極管的結(jié)電容與電路中的寄生電感發(fā)生了諧振。

    圖6為變換器的效率隨輸出功率變化的曲線，可以看出滿載時(shí)效率最高，為90.8%。

4 結(jié)論

    提出一種單開關(guān)低電壓應(yīng)力的高增益Boost變換器，分析了該變換器的工作原理、性能特點(diǎn)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論分析的正確性。該拓?fù)渫ㄟ^泵升電容與開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元的巧妙結(jié)合，能夠進(jìn)一步提高電壓增益，降低功率器件的電壓應(yīng)力，且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，采用單開關(guān)實(shí)現(xiàn)電路工作模態(tài)的轉(zhuǎn)換，降低了電路成本。基于上述優(yōu)點(diǎn)，該變換器可用于需要高增益DC/DC變換器的新能源場合。

參考文獻(xiàn)

[1] ANDRADE A M S S，SCHUCH L，MARTINS M L D S.Analysis and design of high-efficiency hybrid high step-up DC-DC converter for distributed PV generation systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2019，66(5)：3860-3868.

[2] 趙新寬，陳燕東，張鎮(zhèn)強(qiáng)，等.基于CLD模塊的高增益二次升壓直流變換器[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(5)：155-158.

[3] YU D S，YANG J，XU R D，et al.A family of module-integrated high step-up converters with dual coupled inductors[J].IEEE Access，2018，8：16256-16266.

[4] VINNIKOV D，ROASTO I，STRZELECKI R，et al.Step-up DC/DC converters with cascaded Quasi-Zsource network[J].IEEE Transactions on Industrial Electronis，2012，59(10)：3727-3736.

[5] 熊澤成，尹強(qiáng)，任曉丹.高增益隔離DC/DC變換器的研究[J].電氣傳動(dòng)，2017，47(12)：39-43.

[6] 屈克慶，梁曉霞，趙晉斌，等.一種帶有泵升電容的新型高增益升壓直流變換器[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014，38(19)：102-107.

[7] 羅全明，張陽，閆歡，等.一種帶耦合電感的有源鉗位高增益Boost變換器[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34(27)：4576-4583.

[8] AJAMI A，ARDI H，F(xiàn)ARAKHOR A.A novel high step-up DC/DC converter based on integrating coupled inductor and switched-capacitor techniques for renewable energy applications[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2015，30(8)：4255-4263.

[9] 林雪風(fēng)，許建平，周翔.諧振軟開關(guān)耦合電感高增益DC-DC變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2019，34(4)：747-755.

作者信息:

丁  杰，趙世偉，文楚強(qiáng)

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州510640)