一種高增益型DC-DC變換器拓?fù)涞难芯?/h1>
2016-10-22 09:06:15陳培育閆海云李國(guó)棟王旭東薛利坤
電氣傳動(dòng) 2016年9期
陳培育，閆海云，李國(guó)棟，王旭東，薛利坤
（1.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司，天津 300010；2.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072）
一種高增益型DC-DC變換器拓?fù)涞难芯?/p>
陳培育1，閆海云2，李國(guó)棟1，王旭東1，薛利坤2
（1.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司，天津 300010；2.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072）
提出一種可用于戶(hù)用光伏發(fā)電系統(tǒng)的新型高增益DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?；诮诲e(cuò)并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)4通道改進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理和穩(wěn)態(tài)進(jìn)行分析，擬實(shí)現(xiàn)低壓側(cè)電流應(yīng)力的進(jìn)一步降低，高壓側(cè)降低電壓應(yīng)力并實(shí)現(xiàn)在輸入變化較大的范圍內(nèi)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。最后，通過(guò)搭建1個(gè)200 W的原理樣機(jī)驗(yàn)證了上述理論分析的正確性。
高增益；DC-DC變換器；戶(hù)用光伏；開(kāi)關(guān)電容
在新能源分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，光伏發(fā)電已成為主要的研究課題，同時(shí)如何將太陽(yáng)能的輸出升壓到較高的標(biāo)準(zhǔn)母線電壓，已成為一個(gè)重要的研究課題。常用的儲(chǔ)能裝置如鉛酸蓄電池和鋰電池，一般鉛酸電池單體電壓為2 V和12 V；鋰電池分為鋰聚合物電池和鐵鋰電池，其單體電壓一般為2.8 V和3.2 V。而并網(wǎng)需要的直流母線電壓一般較高，比如400 V。傳統(tǒng)的BOOST變換器已不能滿(mǎn)足如此大的電壓增益要求，所有在較大功率場(chǎng)合，大多使用多個(gè)模塊并聯(lián)的方式，其中交錯(cuò)并聯(lián)是一種常用的方式。
為了獲得較高電壓增益，避免變換器工作在極限占空比，文獻(xiàn)［1］是在傳統(tǒng)BOOST變換器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出一種新型拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)了高增益同時(shí)減小了紋波；文獻(xiàn)［2］提出了一種非隔離型三電平雙向DC-DC變換器，該變換器雖然具有開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力低和輸入輸出電流紋波小的特點(diǎn)，但變換器的變換比并沒(méi)有得到提升，且由于飛跨電容的存在，需要對(duì)其采取穩(wěn)壓電路才能使變換器正常工作，控制較復(fù)雜。
基于耦合電感技術(shù)的高電壓增益DC-DC變換器方案被廣泛采用［3-6］。文獻(xiàn)［6］提出的基于反激式耦合電感的高增益BOOST變換器拓?fù)洌捎行Ю寐└心芰烤徑廨敵龆O管反向恢復(fù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了較高效率和較高電壓增益。在上述拓?fù)渲芯赏ㄟ^(guò)改變耦合電感原副邊的匝比來(lái)實(shí)現(xiàn)高電壓增益，但是如何設(shè)計(jì)耦合電感成為一個(gè)難點(diǎn)。
另一種獲得高電壓增益的方法是利用開(kāi)關(guān)電容技術(shù)［7-9］。該類(lèi)拓?fù)淅瞄_(kāi)關(guān)電容的儲(chǔ)能作用，以不同充放電路徑及時(shí)間來(lái)達(dá)到提高電壓增益的目的。開(kāi)關(guān)電容電路一般具有功率密度較高和重量輕等特點(diǎn)，然而上述開(kāi)關(guān)電容電路均存在電流應(yīng)力較大、開(kāi)關(guān)器件數(shù)量較多、輸出調(diào)節(jié)及大功率應(yīng)用困難等問(wèn)題。文獻(xiàn)［10］中驗(yàn)證了交錯(cuò)并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以有效地減小電流紋波。
本文基于交錯(cuò)并聯(lián)型開(kāi)關(guān)電容拓?fù)錁?gòu)成1個(gè)新型高增益拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且具體分析了4通道改進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理，擬實(shí)現(xiàn)低壓側(cè)降低電流應(yīng)力，高壓側(cè)降低電壓應(yīng)力，并且可以在輸入變化較大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證。
1 N通道交錯(cuò)并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
N通道交錯(cuò)并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容變換器拓?fù)淙鐖D1所示，每一通道由1個(gè)電感、1個(gè)儲(chǔ)能電容、2個(gè)開(kāi)關(guān)管組成。各通道參數(shù)設(shè)計(jì)相同，L1=L2=…=LN= L，C1=C2=…=CN=C，可以通過(guò)升壓比來(lái)靈活設(shè)計(jì)通道數(shù)量。
圖1 N通道交錯(cuò)并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容變換器拓?fù)銯ig.1 N channel interleaved parallel switching capacitor converter topology
2 工作原理分析
為了深入研究電路拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)，以4通道交錯(cuò)并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容變換器為例進(jìn)行具體分析。圖2為四相BOOST模式等效電路，其中箭頭表示電壓電流的參考方向；VL表示低壓側(cè)電壓；VH表示高壓側(cè)電壓；D表示占空比，開(kāi)關(guān)S1，S2，S3，S4開(kāi)關(guān)頻率相同，占空比相同，占空比大于0.5；S1與S3的驅(qū)動(dòng)與S2與S4的驅(qū)動(dòng)相位交錯(cuò)180°。為了使原理分析簡(jiǎn)單化，對(duì)電路進(jìn)行如下假設(shè)：1）二極管和開(kāi)關(guān)管都是理想的；2）電容值足夠大，使流過(guò)電容的電流保持常量。電路的工作模態(tài)可以分成4部分，各個(gè)模態(tài)的原理圖如圖2所示。
圖2 4通道交錯(cuò)并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容變換器工作模態(tài)Fig.2 The work modes of four-channel interleaved parallel switching capacitive inverter
工作模態(tài)1如圖2a所示。開(kāi)關(guān)S1，S2，S3，S4均處于開(kāi)通狀態(tài)，電感L1，L2，L3，L4處于充電狀態(tài)，二極管D1，D2，D3，D4由于反向偏置電壓而關(guān)斷，電感電流iL1,iL2,iL3,iL4呈線性上升，在這個(gè)工作模態(tài)下二極管D4兩端的電壓VD4=VH-VC3，電感兩端的電壓為
輸出電容CH向負(fù)載提供能量，電流-iCH=iL，二極管D1的反向電壓是VC1，二極管D2的反向電壓為VC2-VC1,二極管D3承受的反向電壓為VC3-VC2,二極管D4承受的反向電壓為VH-VC3,開(kāi)關(guān)管S1的電流iS1=iL1,開(kāi)關(guān)管S2的電流為iS2=iL2,開(kāi)關(guān)管S3的電流iS3=iL3,開(kāi)關(guān)管S4的電流iS4=iL4。
工作模態(tài)2如圖2b所示。開(kāi)關(guān)S2，S4關(guān)斷，開(kāi)關(guān)S1，S3持續(xù)開(kāi)通，二極管D1，D3因?yàn)榉聪蚱秒妷憾P(guān)斷，電感L1，L3充電，充電幅值為VL，電感L2放電到C2，電感電流iL2線性下降，放電電壓是VL+VC1-VC2,放電方程為：VL+VC1-VC2= L2diL2/dt。電感L4放電到CH，電感電流iL4線性下降，放電電壓是VL+VC3-VH,放電方程為：VL+VC3-VH=L4diL4/dt。電容C1放電，C2充電，電流iC2=-iC1=iL2。
電容C3放電，電流iC3=-iLN2=-io,io=iCH+iL。其電壓方程為
由于電容值相對(duì)較大，充放電時(shí)間很短，所以認(rèn)為電容C1，C2，C3上電壓在1個(gè)周期內(nèi)恒定不變。在這種工作模態(tài)下對(duì)應(yīng)的方程組為
工作模態(tài)3如圖2c所示。電路工作狀態(tài)與工作模態(tài)1相同。
工作模態(tài)4如圖2d所示。開(kāi)關(guān)管S1，S3關(guān)斷，開(kāi)關(guān)管S2，S4持續(xù)導(dǎo)通。電感L1放電到C1，電感電流iL1線性下降，放電電壓為VL-VC，電感L3放電，電感電流 iL1線性下降，放電電壓為VL-VC2-VC3,電感L2,L4充電，充電電壓是VL，在此模態(tài)下的4個(gè)電感的特性方程為
綜合上述分析，4通道交錯(cuò)并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容變換器相關(guān)參數(shù)波形圖如圖3所示，其中t0—t1表示工作模態(tài)1，t1—t2表示工作模態(tài)2，t2—t3表示工作模態(tài)3，t3—t4表示工作模態(tài)4。
圖3 4通道交錯(cuò)并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容變換器原理分析圖Fig.3 The principle analysis diagram of four-channel interleaved parallel switching capacitive inverter
綜合以上對(duì)4通道交錯(cuò)并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容變換器開(kāi)關(guān)特性的分析，可以得出電感L1，L3在工作模式1～3中充電，電感L1伏秒平衡方程式：
化簡(jiǎn)得到：
電感L3伏秒平衡方程式：
化簡(jiǎn)得到：
電感L2在工作模態(tài)1，3中充電，在工作模態(tài)2中放電，放電電壓是VL+VC1-VC2，由伏秒平衡原理得到電感L2伏秒平衡方程如下：
化簡(jiǎn)得到：
電感L4在工作模態(tài)1，3，4中均充電，在工作模態(tài)2中放電，由伏秒平衡原理得到電感L4伏秒平衡方程如下：
化簡(jiǎn)得到：
綜合式（7）、式（9）、式（11）、式（13）得到：
電容C1，C3充電，C2放電，充放電方程式如式（2）～式（4）所示。
二極管D2，D4反向截止電壓為VD2=VC3-VC1, VD4=VH-VC3,開(kāi)關(guān)管S1，S3阻斷電壓降為VS1=VC1, VS3=VC3-VC2，開(kāi)關(guān)管S2上電流為iS2=iL1+iL2，開(kāi)關(guān)管S4上的電流為iS4=iL4+iL3。負(fù)載由輸出電容CH提供能量。由于L1，L3充放電電壓相同，充放電時(shí)間同步，所以電感電流iL3=iL1，同樣得到iL2=iL4。
由各個(gè)電感的伏秒平衡方程和二極管D4的反向截止電壓方程可得：
由此可以推出N通道交錯(cuò)并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容變換器的電壓增益為
從上式中可以看出電壓增益M與占空比和通道數(shù)有關(guān)，并且成比例關(guān)系，為了形象地表示三者之間的關(guān)系，升壓比與占空比和通道數(shù)量的關(guān)系圖如圖4所示，從圖中可以看出，當(dāng)D=0.6時(shí)，N=4，電壓增益是10，而N=1時(shí)，電壓增益為2.5。
圖4 升壓比、占空比和通道數(shù)量關(guān)系圖Fig.4 Relationships between step-up ratio ratio，duty cycle and phase number
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)論
為了驗(yàn)證本文提出新型交錯(cuò)并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容變換器能夠?qū)崿F(xiàn)高增益，并可以降低電壓和電流應(yīng)力，搭建了1個(gè)200 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：低壓側(cè)電壓VL=24 V；占空比D=0.6；開(kāi)關(guān)頻率 fs=200 kHz；電感 L=100 μH；開(kāi)關(guān)電容CN=40 μF,N=1,2,3；濾 波 電 容 CL=CH= 80 μF。實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示，圖5中，VDS1表示開(kāi)關(guān)管S1的電壓，iL1,iL2表示電感L1,L2的電流。
圖5 實(shí)驗(yàn)波形Fig.5 Experiment waveforms
從圖5a看出高壓側(cè)輸出電壓約230 V，該拓?fù)浯藭r(shí)的電壓增益大約為10，電感電流iL1,iL2為低壓側(cè)總輸入電流的四分之一，且電感電流紋波小于500 mA；圖5b為電感L1,L2的電流iL1和iL2,輸入電壓VL和開(kāi)關(guān)管S1的漏源電壓波形。從圖5b中可以看出開(kāi)關(guān)管S1的電壓應(yīng)力為60 V，是高壓側(cè)輸出電壓的四分之一。當(dāng)輸出電壓為60 V、輸出功率為200 W時(shí)，電阻是：R=P/U2=200/2302= 3.8mΩ。測(cè)得電路的輸出效率是93.8%。
在開(kāi)關(guān)電容拓?fù)涞幕A(chǔ)上，本文提出一種可用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的新型高增益DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)增加交錯(cuò)并聯(lián)電感顯著降低低壓側(cè)功率器件電流應(yīng)力。本文分析了其實(shí)現(xiàn)高電壓增益的工作原理，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該拓?fù)涞挠行?，?shí)驗(yàn)結(jié)果證明該拓?fù)淇梢燥@著降低電壓和電流應(yīng)力，證明了理論分析的正確性。
［1］陸治國(guó)，祝萬(wàn)平，劉捷豐，等.一種新型交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（12）：39-46.
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［10］張珂.基于交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)的雙向直流-直流變換器設(shè)計(jì)［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2013.
Research on a High Gain Type DC-DC Converter Topology
CHEN Peiyu1，YAN Haiyun2，LI Guodong1，WANG Xudong1，XUE Likun2
（1.State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300010，China；2.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China）
A novel high step-up DC-DC converter was proposed which can be used for household photovoltaic power generation system.Based on the topology of the interleaved parallel switched capacitors topology structure，so as to form a new kind of topology structure，and the working principle and the stesdy-state of the four channel improved topolpgy were analysed.This topology aimed to reduce current stress in low-voltage side further，decrease voltage stress in high-voltage side，and to achieve output voltage regulation with a wide range input.Finally，a 200 W prototype is implementedtoverifythecorrectnessoftheabovedtheoreticalanalysis.
high step-up；DC-DC converter；household photovoltaic；switched capacitors
TM464
A
2015-08-14
修改稿日期：2016-04-09
國(guó)網(wǎng)總部科技項(xiàng)目《戶(hù)用光伏發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范應(yīng)用》（SGTJDK00DWJS1500098）
陳培育（1983-），男，碩士，Email：chenpeiyu400@sina.com
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陳培育，閆海云，李國(guó)棟，王旭東，薛利坤
（1.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司，天津 300010；2.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072）
一種高增益型DC-DC變換器拓?fù)涞难芯?/p>
陳培育1，閆海云2，李國(guó)棟1，王旭東1，薛利坤2
（1.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司，天津 300010；2.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072）
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高增益；DC-DC變換器；戶(hù)用光伏；開(kāi)關(guān)電容
在新能源分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，光伏發(fā)電已成為主要的研究課題，同時(shí)如何將太陽(yáng)能的輸出升壓到較高的標(biāo)準(zhǔn)母線電壓，已成為一個(gè)重要的研究課題。常用的儲(chǔ)能裝置如鉛酸蓄電池和鋰電池，一般鉛酸電池單體電壓為2 V和12 V；鋰電池分為鋰聚合物電池和鐵鋰電池，其單體電壓一般為2.8 V和3.2 V。而并網(wǎng)需要的直流母線電壓一般較高，比如400 V。傳統(tǒng)的BOOST變換器已不能滿(mǎn)足如此大的電壓增益要求，所有在較大功率場(chǎng)合，大多使用多個(gè)模塊并聯(lián)的方式，其中交錯(cuò)并聯(lián)是一種常用的方式。
為了獲得較高電壓增益，避免變換器工作在極限占空比，文獻(xiàn)［1］是在傳統(tǒng)BOOST變換器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出一種新型拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)了高增益同時(shí)減小了紋波；文獻(xiàn)［2］提出了一種非隔離型三電平雙向DC-DC變換器，該變換器雖然具有開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力低和輸入輸出電流紋波小的特點(diǎn)，但變換器的變換比并沒(méi)有得到提升，且由于飛跨電容的存在，需要對(duì)其采取穩(wěn)壓電路才能使變換器正常工作，控制較復(fù)雜。
基于耦合電感技術(shù)的高電壓增益DC-DC變換器方案被廣泛采用［3-6］。文獻(xiàn)［6］提出的基于反激式耦合電感的高增益BOOST變換器拓?fù)洌捎行Ю寐└心芰烤徑廨敵龆O管反向恢復(fù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了較高效率和較高電壓增益。在上述拓?fù)渲芯赏ㄟ^(guò)改變耦合電感原副邊的匝比來(lái)實(shí)現(xiàn)高電壓增益，但是如何設(shè)計(jì)耦合電感成為一個(gè)難點(diǎn)。
另一種獲得高電壓增益的方法是利用開(kāi)關(guān)電容技術(shù)［7-9］。該類(lèi)拓?fù)淅瞄_(kāi)關(guān)電容的儲(chǔ)能作用，以不同充放電路徑及時(shí)間來(lái)達(dá)到提高電壓增益的目的。開(kāi)關(guān)電容電路一般具有功率密度較高和重量輕等特點(diǎn)，然而上述開(kāi)關(guān)電容電路均存在電流應(yīng)力較大、開(kāi)關(guān)器件數(shù)量較多、輸出調(diào)節(jié)及大功率應(yīng)用困難等問(wèn)題。文獻(xiàn)［10］中驗(yàn)證了交錯(cuò)并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以有效地減小電流紋波。
本文基于交錯(cuò)并聯(lián)型開(kāi)關(guān)電容拓?fù)錁?gòu)成1個(gè)新型高增益拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且具體分析了4通道改進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理，擬實(shí)現(xiàn)低壓側(cè)降低電流應(yīng)力，高壓側(cè)降低電壓應(yīng)力，并且可以在輸入變化較大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證。
1 N通道交錯(cuò)并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
N通道交錯(cuò)并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容變換器拓?fù)淙鐖D1所示，每一通道由1個(gè)電感、1個(gè)儲(chǔ)能電容、2個(gè)開(kāi)關(guān)管組成。各通道參數(shù)設(shè)計(jì)相同，L1=L2=…=LN= L，C1=C2=…=CN=C，可以通過(guò)升壓比來(lái)靈活設(shè)計(jì)通道數(shù)量。
圖1 N通道交錯(cuò)并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容變換器拓?fù)銯ig.1 N channel interleaved parallel switching capacitor converter topology
2 工作原理分析
為了深入研究電路拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)，以4通道交錯(cuò)并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容變換器為例進(jìn)行具體分析。圖2為四相BOOST模式等效電路，其中箭頭表示電壓電流的參考方向；VL表示低壓側(cè)電壓；VH表示高壓側(cè)電壓；D表示占空比，開(kāi)關(guān)S1，S2，S3，S4開(kāi)關(guān)頻率相同，占空比相同，占空比大于0.5；S1與S3的驅(qū)動(dòng)與S2與S4的驅(qū)動(dòng)相位交錯(cuò)180°。為了使原理分析簡(jiǎn)單化，對(duì)電路進(jìn)行如下假設(shè)：1）二極管和開(kāi)關(guān)管都是理想的；2）電容值足夠大，使流過(guò)電容的電流保持常量。電路的工作模態(tài)可以分成4部分，各個(gè)模態(tài)的原理圖如圖2所示。
圖2 4通道交錯(cuò)并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容變換器工作模態(tài)Fig.2 The work modes of four-channel interleaved parallel switching capacitive inverter
工作模態(tài)1如圖2a所示。開(kāi)關(guān)S1，S2，S3，S4均處于開(kāi)通狀態(tài)，電感L1，L2，L3，L4處于充電狀態(tài)，二極管D1，D2，D3，D4由于反向偏置電壓而關(guān)斷，電感電流iL1,iL2,iL3,iL4呈線性上升，在這個(gè)工作模態(tài)下二極管D4兩端的電壓VD4=VH-VC3，電感兩端的電壓為
輸出電容CH向負(fù)載提供能量，電流-iCH=iL，二極管D1的反向電壓是VC1，二極管D2的反向電壓為VC2-VC1,二極管D3承受的反向電壓為VC3-VC2,二極管D4承受的反向電壓為VH-VC3,開(kāi)關(guān)管S1的電流iS1=iL1,開(kāi)關(guān)管S2的電流為iS2=iL2,開(kāi)關(guān)管S3的電流iS3=iL3,開(kāi)關(guān)管S4的電流iS4=iL4。
工作模態(tài)2如圖2b所示。開(kāi)關(guān)S2，S4關(guān)斷，開(kāi)關(guān)S1，S3持續(xù)開(kāi)通，二極管D1，D3因?yàn)榉聪蚱秒妷憾P(guān)斷，電感L1，L3充電，充電幅值為VL，電感L2放電到C2，電感電流iL2線性下降，放電電壓是VL+VC1-VC2,放電方程為：VL+VC1-VC2= L2diL2/dt。電感L4放電到CH，電感電流iL4線性下降，放電電壓是VL+VC3-VH,放電方程為：VL+VC3-VH=L4diL4/dt。電容C1放電，C2充電，電流iC2=-iC1=iL2。
電容C3放電，電流iC3=-iLN2=-io,io=iCH+iL。其電壓方程為
由于電容值相對(duì)較大，充放電時(shí)間很短，所以認(rèn)為電容C1，C2，C3上電壓在1個(gè)周期內(nèi)恒定不變。在這種工作模態(tài)下對(duì)應(yīng)的方程組為
工作模態(tài)3如圖2c所示。電路工作狀態(tài)與工作模態(tài)1相同。
工作模態(tài)4如圖2d所示。開(kāi)關(guān)管S1，S3關(guān)斷，開(kāi)關(guān)管S2，S4持續(xù)導(dǎo)通。電感L1放電到C1，電感電流iL1線性下降，放電電壓為VL-VC，電感L3放電，電感電流 iL1線性下降，放電電壓為VL-VC2-VC3,電感L2,L4充電，充電電壓是VL，在此模態(tài)下的4個(gè)電感的特性方程為
綜合上述分析，4通道交錯(cuò)并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容變換器相關(guān)參數(shù)波形圖如圖3所示，其中t0—t1表示工作模態(tài)1，t1—t2表示工作模態(tài)2，t2—t3表示工作模態(tài)3，t3—t4表示工作模態(tài)4。
圖3 4通道交錯(cuò)并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容變換器原理分析圖Fig.3 The principle analysis diagram of four-channel interleaved parallel switching capacitive inverter
綜合以上對(duì)4通道交錯(cuò)并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容變換器開(kāi)關(guān)特性的分析，可以得出電感L1，L3在工作模式1～3中充電，電感L1伏秒平衡方程式：
化簡(jiǎn)得到：
電感L3伏秒平衡方程式：
化簡(jiǎn)得到：
電感L2在工作模態(tài)1，3中充電，在工作模態(tài)2中放電，放電電壓是VL+VC1-VC2，由伏秒平衡原理得到電感L2伏秒平衡方程如下：
化簡(jiǎn)得到：
電感L4在工作模態(tài)1，3，4中均充電，在工作模態(tài)2中放電，由伏秒平衡原理得到電感L4伏秒平衡方程如下：
化簡(jiǎn)得到：
綜合式（7）、式（9）、式（11）、式（13）得到：
電容C1，C3充電，C2放電，充放電方程式如式（2）～式（4）所示。
二極管D2，D4反向截止電壓為VD2=VC3-VC1, VD4=VH-VC3,開(kāi)關(guān)管S1，S3阻斷電壓降為VS1=VC1, VS3=VC3-VC2，開(kāi)關(guān)管S2上電流為iS2=iL1+iL2，開(kāi)關(guān)管S4上的電流為iS4=iL4+iL3。負(fù)載由輸出電容CH提供能量。由于L1，L3充放電電壓相同，充放電時(shí)間同步，所以電感電流iL3=iL1，同樣得到iL2=iL4。
由各個(gè)電感的伏秒平衡方程和二極管D4的反向截止電壓方程可得：
由此可以推出N通道交錯(cuò)并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容變換器的電壓增益為
從上式中可以看出電壓增益M與占空比和通道數(shù)有關(guān)，并且成比例關(guān)系，為了形象地表示三者之間的關(guān)系，升壓比與占空比和通道數(shù)量的關(guān)系圖如圖4所示，從圖中可以看出，當(dāng)D=0.6時(shí)，N=4，電壓增益是10，而N=1時(shí)，電壓增益為2.5。
圖4 升壓比、占空比和通道數(shù)量關(guān)系圖Fig.4 Relationships between step-up ratio ratio，duty cycle and phase number
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)論
為了驗(yàn)證本文提出新型交錯(cuò)并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容變換器能夠?qū)崿F(xiàn)高增益，并可以降低電壓和電流應(yīng)力，搭建了1個(gè)200 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：低壓側(cè)電壓VL=24 V；占空比D=0.6；開(kāi)關(guān)頻率 fs=200 kHz；電感 L=100 μH；開(kāi)關(guān)電容CN=40 μF,N=1,2,3；濾 波 電 容 CL=CH= 80 μF。實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示，圖5中，VDS1表示開(kāi)關(guān)管S1的電壓，iL1,iL2表示電感L1,L2的電流。
圖5 實(shí)驗(yàn)波形Fig.5 Experiment waveforms
從圖5a看出高壓側(cè)輸出電壓約230 V，該拓?fù)浯藭r(shí)的電壓增益大約為10，電感電流iL1,iL2為低壓側(cè)總輸入電流的四分之一，且電感電流紋波小于500 mA；圖5b為電感L1,L2的電流iL1和iL2,輸入電壓VL和開(kāi)關(guān)管S1的漏源電壓波形。從圖5b中可以看出開(kāi)關(guān)管S1的電壓應(yīng)力為60 V，是高壓側(cè)輸出電壓的四分之一。當(dāng)輸出電壓為60 V、輸出功率為200 W時(shí)，電阻是：R=P/U2=200/2302= 3.8mΩ。測(cè)得電路的輸出效率是93.8%。
在開(kāi)關(guān)電容拓?fù)涞幕A(chǔ)上，本文提出一種可用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的新型高增益DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)增加交錯(cuò)并聯(lián)電感顯著降低低壓側(cè)功率器件電流應(yīng)力。本文分析了其實(shí)現(xiàn)高電壓增益的工作原理，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該拓?fù)涞挠行?，?shí)驗(yàn)結(jié)果證明該拓?fù)淇梢燥@著降低電壓和電流應(yīng)力，證明了理論分析的正確性。
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Research on a High Gain Type DC-DC Converter Topology
CHEN Peiyu1，YAN Haiyun2，LI Guodong1，WANG Xudong1，XUE Likun2
（1.State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300010，China；2.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China）
A novel high step-up DC-DC converter was proposed which can be used for household photovoltaic power generation system.Based on the topology of the interleaved parallel switched capacitors topology structure，so as to form a new kind of topology structure，and the working principle and the stesdy-state of the four channel improved topolpgy were analysed.This topology aimed to reduce current stress in low-voltage side further，decrease voltage stress in high-voltage side，and to achieve output voltage regulation with a wide range input.Finally，a 200 W prototype is implementedtoverifythecorrectnessoftheabovedtheoreticalanalysis.
high step-up；DC-DC converter；household photovoltaic；switched capacitors
TM464
A
2015-08-14
修改稿日期：2016-04-09
國(guó)網(wǎng)總部科技項(xiàng)目《戶(hù)用光伏發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范應(yīng)用》（SGTJDK00DWJS1500098）
陳培育（1983-），男，碩士，Email：chenpeiyu400@sina.com
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