胡雪峰 戴國(guó)瑞 龔春英 陳 杰 章家?guī)r

（1.安徽工業(yè)大學(xué)電力電子與運(yùn)動(dòng)控制省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 馬鞍山 243002 2.江蘇省新新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南京航空航天大學(xué)） 南京 210016）

1 引言

隨著人們生活水平的提高，對(duì)能源的需求量日益增長(zhǎng)，石油、煤炭和天然氣等一次能源的消耗會(huì)排放大量的溫室氣體，導(dǎo)致全球變暖、環(huán)境污染等嚴(yán)重問(wèn)題。因此諸如太陽(yáng)能光伏、燃料電池和風(fēng)力發(fā)電等分布式能源及其相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的研究在全球范圍得到了廣泛重視[1-12]，其常用發(fā)電結(jié)構(gòu)如圖1所示。因?yàn)閱误w燃料電池或光伏電池的輸出電壓較低，通常需要具有更高升壓功能的直流功率變換器作為接口電路，把較低的電池電壓（18～50V）轉(zhuǎn)換到足夠高的直流鏈電壓（200～400V），然后進(jìn)行逆變以供給獨(dú)立交流負(fù)載，或進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電。另外在燃料電池和光伏電池發(fā)電系統(tǒng)中，需要盡量減小輸入電流紋波，否則將會(huì)影響電池的使用壽命，給系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行及成本的降低帶來(lái)不利影響[2,5]。

圖1 低壓可再生能源發(fā)電基本機(jī)構(gòu)圖Fig.1 Basic schematic of the low-level DC voltagerenewable power generating system

傳統(tǒng)的Boost或Boost-Buck變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在常規(guī)DC-DC升壓場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用，但當(dāng)需要較高升壓變換時(shí)，基本的Boost變換器就要工作在占空比接近于1的理論值，一方面很大的占空比會(huì)降低系統(tǒng)效率，另一方面占空比較大時(shí)輸出電壓也不易升高，而且二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題也更為嚴(yán)重[8,9]。為了有效提高直流變換器的電壓增益，許多學(xué)者提出了多種具有高升壓功能的變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[11,12]研究了串聯(lián)級(jí)聯(lián)式變換器或帶升壓變壓器的變換器，但是前者需要兩級(jí)能量變換，其總體效率等同于各級(jí)變換器效率之積，因此勢(shì)必會(huì)降低總體效率，而且增加了拓?fù)涞膹?fù)雜性，同時(shí)其穩(wěn)定性能也受到了挑戰(zhàn)，含有變壓器的升壓變換器又存在體積笨重、成本高、漏感和寄生電容等問(wèn)題。近年來(lái)，交錯(cuò)并聯(lián)Boost變換器[2,12-14]及其在燃料電池和光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用得到了許多學(xué)者的深入研究，采用交錯(cuò)并聯(lián)方法后，其優(yōu)點(diǎn)是可以減小輸入、輸出電流紋波，改善變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但其開關(guān)管的電壓應(yīng)力仍然等于輸出電壓，而且該變換器的升壓功能也沒(méi)有得到有效改善，與基本的Boost變換器相同。在高升壓比應(yīng)用中，為了降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力，文獻(xiàn)[15]研究了三電平直流變換器，其主要特點(diǎn)是主功率管的電壓應(yīng)力等于輸出電壓的一半，但其升壓能力沒(méi)有得到有效提升，且當(dāng)輸入電壓較低，而輸出電壓較高時(shí)，勢(shì)必會(huì)造成輸入電流紋波較大，不利于應(yīng)用在燃料電池和光伏電池等新能源發(fā)電系統(tǒng)中。因此研究兼有高增益、低輸入電流紋波，低開關(guān)電壓應(yīng)力的變換器具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

本文提出了一種具有高電壓增益、低輸入電流紋波，低開關(guān)電壓應(yīng)力的全交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的Boost變換器，與傳統(tǒng)的交錯(cuò)并聯(lián)變換器結(jié)構(gòu)相比，所提變換器具有以下特點(diǎn)：①具有更高的電壓增益，因此在較高升壓要求時(shí)可以有效避免變換器工作在極限占空比狀態(tài)，而且利用較小的占空比達(dá)到相同的輸出電壓可直接減小開關(guān)的導(dǎo)通損耗。②所提變換器不但在輸入端采用了兩個(gè)電感交叉并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，減小了輸入電流的紋波，而且在輸出端，兩個(gè)電容電壓進(jìn)行了交叉串聯(lián)，使得輸出電壓紋波進(jìn)一步減小。③當(dāng)占空比≥0.5時(shí)，兩個(gè)輸出電容自動(dòng)均壓，兩個(gè)電感上的電流也自動(dòng)均分。另外，與傳統(tǒng)的低電壓應(yīng)力Boost變換器（三電平Boost變換器）相比，所提變換器結(jié)構(gòu)除具有上述特點(diǎn)外，還只需要一路獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電源，這樣就避免了傳統(tǒng)三電平Boost變換器需要兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電源的要求，進(jìn)而避開了基本三電平變換器結(jié)構(gòu)中上管驅(qū)動(dòng)電源地電位的穩(wěn)定性會(huì)隨著分壓電容電壓的波動(dòng)而波動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)性能造成的影響。

2 所提變換器結(jié)構(gòu)及其工作原理

2.1 相似結(jié)構(gòu)變換器的對(duì)比分析

圖2a、圖2b是傳統(tǒng)兩相交錯(cuò)并聯(lián)升壓變換器和具有低開關(guān)電壓應(yīng)力的基本三電平Boost變換器的結(jié)構(gòu)圖，文獻(xiàn)[12]提出高增益交錯(cuò)并聯(lián)Boost變換器，如圖2c所示。這種結(jié)構(gòu)利用開關(guān)電容與傳統(tǒng)交錯(cuò)Boost變換器相結(jié)合，來(lái)提高電壓增益，但其結(jié)構(gòu)也相應(yīng)復(fù)雜，而且增加了兩個(gè)二極管。比較幾種相似拓?fù)?，可以看出這些類似結(jié)構(gòu)變換器使用元器件數(shù)量的對(duì)比關(guān)系。另外，圖2b所示傳統(tǒng)低電壓應(yīng)力三電平Boost變換器的兩個(gè)主開關(guān)管是類似橋臂上下管的結(jié)構(gòu)，因此必須使用兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源。

圖2 三種相似升壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Comparison of three similar converter topologies

本文所提變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，表面上看，所提變換器結(jié)構(gòu)比常規(guī)的交錯(cuò)并聯(lián)Boost變換器多用一個(gè)分壓電容，但是，該變換器中單個(gè)電容的容值可以大大減?。涣硗獗疚乃嶙儞Q器采用兩個(gè)開關(guān)管供地的結(jié)構(gòu)，因此只需一路驅(qū)動(dòng)電源即可滿足兩個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)要求，同時(shí)能夠避免傳統(tǒng)低開關(guān)電壓應(yīng)力三電平變換器中上管獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電源的浮動(dòng)問(wèn)題。幾種相似結(jié)構(gòu)變換器的主要性能特點(diǎn)見4.4節(jié)中表1。

圖3 本文所提變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 The topology of proposed converter

2.2 所提變換器工作原理

所提變換器工作在交錯(cuò)控制方式，首先在輸入端進(jìn)行了電感電流的交錯(cuò)并聯(lián)，而在輸出端兩個(gè)分壓電容電壓進(jìn)行了交錯(cuò)并聯(lián)充電和串聯(lián)放電，這樣所提變換器的輸入電流紋波和輸出電壓紋波都能得到有效的抑制，同時(shí)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠減小輸入電感和輸出電容的體積。

為方便分析，假設(shè)電路工作在電感電流連續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)，且各元器件均為理想器件，其控制操作方式如圖4的關(guān)鍵工作波形所示。

由圖4可以看出，當(dāng)占空比大于0.5時(shí)，根據(jù)兩個(gè)主功率管的開關(guān)狀態(tài)該變換器有4種工作模式，圖5給出了各模式的等效電路，下面具體分析該控制方式下所提變換器的工作原理。

圖4 關(guān)鍵工作波形Fig.4 Key waveforms of the proposed converter

圖5 所提變換器各工作模式等效電路Fig.5 Operating modes of the proposed converter

（1）模式Ⅰ（t0＜t≤t1）。由圖4可以看出，電路工作在該模式時(shí)，Q1和VD2導(dǎo)通，Q2和VD1關(guān)斷，其等效電路如圖5a所示，流過(guò)電感L1的電流iL1線性增加，流過(guò)電感L2的電流iL2線性減小，同時(shí)電容C1放電且向負(fù)載提供能量，儲(chǔ)存在電感L2中的能量向電容C2充電。

（2）模式Ⅱ（t1＜t≤t2）。在該模式時(shí)的等效電路如圖5b所示，Q1和Q2導(dǎo)通，VD1和VD2關(guān)斷，電感L1和L2儲(chǔ)存能量，流過(guò)它們的電流 iL1和iL2線性增加，輸出功率由等效串聯(lián)電容C1和C2提供。

（3）模式Ⅲ（t2＜t≤t3）。由圖3可以看出，電路工作在該模式時(shí)，Q1和D2關(guān)斷，Q2和VD1導(dǎo)通，其等效電路如圖5c所示，流過(guò)電感L1的電流iL1線性減小，流過(guò)電感L2的電流iL2線性增加，同時(shí)儲(chǔ)存在電感L1中的能量向電容C1充電，電容C2向負(fù)載提供能量。

（4）模式Ⅳ（t3＜t≤t4）。該模式時(shí) Q1和 Q2導(dǎo)通，VD1和VD2關(guān)斷，電感L1和L2儲(chǔ)存能量，流過(guò)它們的電流iL1和iL2線性增加，其等效電路和模式Ⅱ相同。

需要說(shuō)明的是在交錯(cuò)控制策略時(shí)，該電路同樣可以工作在占空比小于0.5的模式，此時(shí)兩個(gè)開關(guān)管的電壓應(yīng)力不再平分。對(duì)于燃料電池和光伏并網(wǎng)發(fā)電等典型低壓輸入高壓輸出的應(yīng)用中，變換器穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的占空比通常要大一些，為了節(jié)省篇幅，本文重點(diǎn)討論占空比大于0.5的情況。

3 本文變換器的數(shù)學(xué)模型及分析

為進(jìn)一步詳細(xì)分析該變換器的各種特性，利用狀態(tài)平均法建立所提變換器的平均狀態(tài)數(shù)學(xué)模型，為了方便分析，忽略電感L1和L2的等效串聯(lián)電阻，忽略電容C1、C2的等效串聯(lián)電阻，設(shè)各電感的電流和各電容上的電壓為狀態(tài)變量，組成矢量為x，輸入變量為Vin，d為開關(guān)的導(dǎo)通占空比，輸出變量為Vo，則變換器的平均狀態(tài)模型為

假設(shè)每個(gè)狀態(tài)變量、源變量和控制變量有一個(gè)足夠小的擾動(dòng)，則它們可以由直流分量和交流分量分別組成，即

式中，X、VIN、VC1、VC2和D分別為各變量的直流分量和?d分別為各變量的交流分量。通過(guò)小信號(hào)擾動(dòng)法，進(jìn)行線性化處理后，可以得到變換器的小信號(hào)時(shí)變狀態(tài)矩陣模型，用式（13）～式（16）表示，其交流小信號(hào)等效電路如圖6所示。

圖6 變換器的小信號(hào)等效電路Fig.6 Small-signal equivalent circuit of the converter

由變換器的小信號(hào)狀態(tài)模型可以計(jì)算出各電感電流、各分壓電容電壓與占空比之間的傳遞函數(shù)。

4 變換器的穩(wěn)態(tài)分析

4.1 電路的穩(wěn)態(tài)電壓和電流分析

根據(jù)第3節(jié)推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型，可以得到該變換器的非線性連續(xù)等效電路如圖7所示。

圖7 非線性連續(xù)等效電路Fig.7 Non-linear model of the proposed converter

該電路在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)該滿足因此在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)變換器具有如下數(shù)學(xué)關(guān)系

由式（18）～式（22）可以看出，本文所提變換器的電壓增益是典型Boost變換器或傳統(tǒng)交錯(cuò)并聯(lián)Boost變換器的兩倍，同時(shí)兩個(gè)電感上的電流和輸出電容上的電壓都是自動(dòng)均分的。

4.2 開關(guān)管的穩(wěn)態(tài)電壓應(yīng)力

通過(guò)等效電路圖可以看出，如果忽略開關(guān)管和二極管上的導(dǎo)通壓降，主功率開關(guān)Q1和Q2的電壓應(yīng)力分別為

綜合式（20）～（24）可知，兩個(gè)主功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力相等，且為輸出電壓的一半，二極管VD2上的最大電壓應(yīng)力也為VO/2，而二極管VD1上的電壓應(yīng)力有三種狀態(tài)分別為VO、VO/2和0，但是在其導(dǎo)通和關(guān)斷的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，電壓波動(dòng)仍然在VO/2和0之間。

可以推出流過(guò)主開關(guān)器件的平均電流為

4.3 輸入電流和輸出電壓紋波分析

為了便于分析本文變換器的輸入電流紋波和輸出電壓紋波，圖8給出了相關(guān)輸入支路電流和輸出電容電壓的關(guān)鍵波形。

圖8 輸入電流、輸出電壓關(guān)鍵波形Fig.8 Key waveforms of input currents and output voltages

通過(guò)計(jì)算容易得出

4.4 電路的性能比較

表1給出了幾種相似結(jié)構(gòu)變換器主要性能特點(diǎn)的比較情況?？梢钥闯?，本文變換器具有更高的電壓增益，且所用器件數(shù)量也未增加，同時(shí)功率器件的電壓應(yīng)力也得到了有效減小。

表1 幾種類似結(jié)構(gòu)變換器的性能比較Tab.1 Comparison for three converters

5 高增益低應(yīng)力交錯(cuò)隔離型Boost變換器結(jié)構(gòu)的推衍

本文所提變換器不但可以應(yīng)用在非隔離型Boost變換器，而且可以推演出其隔離型電路結(jié)構(gòu)，如圖9所示。該電路結(jié)構(gòu)類似兩個(gè)反激變換器在輸入端進(jìn)行電流交錯(cuò)并聯(lián)，在輸出端進(jìn)行電壓交錯(cuò)串聯(lián)，同樣達(dá)到了全交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的目的。

圖9 隔離型全交錯(cuò)Boost變換器結(jié)構(gòu)Fig.9 Isolated type of interleaved boost converter

假設(shè)N=Ns1/Np1=Ns2/Np2，則利用伏秒平衡原理可以推出兩相隔離型全交錯(cuò)結(jié)構(gòu)Boost變換器的電壓增益表達(dá)式為

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證所提變換器的工作原理,作者在實(shí)驗(yàn)室研制了一臺(tái)非隔離型原理樣機(jī)，其性能指標(biāo)和所用元器件見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)電路參數(shù)Tab.2 Component parameters of the experiment

由圖10a中可以看出，由于兩個(gè)電感的電流波形進(jìn)行了交錯(cuò)運(yùn)行，使得總輸入電流的紋波大大減小，而且兩個(gè)電感電流是相等的，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)均分。圖10b給出了兩個(gè)分壓電容的電流波形，可以看出它們交錯(cuò)并聯(lián)充電和串聯(lián)放電，且大小也是相等的，實(shí)驗(yàn)波形很好地驗(yàn)證了該變換器的工作原理。

圖10 實(shí)驗(yàn)波形Fig.10 Experimental waveforms

圖10c是主功率開關(guān)管Q1、Q2上的電壓應(yīng)力波形，約等于120V，等于輸出電壓的一半，實(shí)現(xiàn)了低電壓應(yīng)力功能。圖10d中給出了兩個(gè)主開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)及二極管VD1和VD2的電壓應(yīng)力波形，可以看出VD2的電壓應(yīng)力也只有輸出電壓的一半，VD1的輸出電壓應(yīng)力雖然有三種狀態(tài)，但其中相鄰狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換電平也只有輸出電壓的一半，因此二極管的電壓應(yīng)力也得到了有效減小，與理論分析一致，圖10e是兩個(gè)分壓電容上的電壓及總輸出電壓波形。

7 結(jié)論

本文提出了一種具有高增益、低電壓應(yīng)力的新型輸入/輸出全交錯(cuò)型Boost變換器，分析了該變換器的工作原理，建立了該變換器的平均狀態(tài)及小信號(hào)模型，推出了相應(yīng)的隔離型變換器結(jié)構(gòu)，并通過(guò)一臺(tái)原理樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)證明所提變換器既有更高電壓增益的功能，同時(shí)又兼具常規(guī)兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost變換器和傳統(tǒng)低電壓應(yīng)力三電平Boost變換器的優(yōu)點(diǎn)，具體為：①開關(guān)管電壓應(yīng)力小，有利于選擇小功率高性能的開關(guān)器件。②兩個(gè)開關(guān)管可以共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電源，節(jié)省了一路驅(qū)動(dòng)源。③由于輸入端采用了交錯(cuò)結(jié)構(gòu)使得輸入電流的紋波更小，兩個(gè)分壓電容上的電壓也進(jìn)行了交錯(cuò)充放電，能夠減小升壓電感和輸出電容的體積。④所提變換器不需額外增加均壓控制環(huán)即可達(dá)到分壓電容自動(dòng)均壓，且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)。

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