邾玢鑫， 任路路， 吳襲

(三峽大學(xué) 湖北省微電網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，湖北 宜昌 443002)

一種新型非隔離型高增益DC-DC變換器

邾玢鑫， 任路路， 吳襲

(三峽大學(xué) 湖北省微電網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，湖北 宜昌 443002)

在不間斷電源、新能源發(fā)電等應(yīng)用場(chǎng)合中，高增益DC/DC變換器得到了廣泛應(yīng)用?；趦上鄠鹘y(tǒng)交錯(cuò)并聯(lián)Boost變換器，提出了一種新型非隔離型高增益DC/DC變換器。所提變換器具有低輸入電流紋波、兩相電感電流自動(dòng)均流、開關(guān)和二極管電壓應(yīng)力低、升壓能力高等特點(diǎn)，適用于輸入輸出電壓比大且無需電氣隔離的應(yīng)用場(chǎng)合。本文首先對(duì)所提電路的工作原理進(jìn)行了具體分析，然后理論推導(dǎo)其主要性能特點(diǎn)，最后通過一臺(tái)功率為400W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了前述分析的正確性。

非隔離型；高增益；DC-DC變換；電壓應(yīng)力

0 引 言

隨著能源危機(jī)、溫室效應(yīng)、大氣污染等全球性問題的加劇，新型可再生、環(huán)保型能源近年來得到了快速的發(fā)展。由于光伏發(fā)電本身所具有的無污染、可再生、可靠性高等特點(diǎn)，近年來受到了較多的應(yīng)用和研究。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明光伏發(fā)電在本世紀(jì)中葉將可能成為全球最主要的發(fā)電模式[1-3]。

光伏發(fā)電電池模塊的內(nèi)部通常是由多個(gè)小電池串并聯(lián)組成，考慮到同一個(gè)光伏電池模塊若光照不均會(huì)導(dǎo)致局部熱點(diǎn)及總體發(fā)電效率不高的問題，其內(nèi)部通常不能串并聯(lián)過多的小電池，因而其輸出端電壓通常在20～40 V之間[4-5]。目前較常見的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)通常為每一個(gè)光伏電池模塊均配備了一個(gè)微并網(wǎng)逆變器，如圖1所示[6-7]。

圖1 光伏微逆變并網(wǎng)系統(tǒng)Fig.1 Grid-connected micro-inverter PV power system

微并網(wǎng)逆變器包含DC-DC升壓和DC-AC逆變兩個(gè)部分，其中DC-AC逆變模塊負(fù)責(zé)將電能傳送到電網(wǎng)中，而前級(jí)DC-DC模塊一方面需要實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤另一方面需要將光伏電池的輸入電壓提升到逆變器可用的電壓等級(jí)。由于逆變器所需輸入電壓較高，通常在380 V以上。逆變器輸入與光伏電池輸出之間電壓相差了數(shù)十倍以上，此時(shí)傳統(tǒng)的boost變換器已經(jīng)難以勝任[8-10]。

隔離型變換器可以通過調(diào)節(jié)變壓器變比實(shí)現(xiàn)電壓幅值相差較大的變換，但相比于非隔離型變換器有電能轉(zhuǎn)換次數(shù)多、工作效率低、功率密度低以及成本高等缺點(diǎn)，因此除去對(duì)安全性有特殊要求的應(yīng)用場(chǎng)合，非隔離型變換器更受歡迎[11-12]。近年來該類型升壓變換器也受到了較多的關(guān)注和研究。

目前眾多文獻(xiàn)研究了多種非隔離型高增益解決方案[13-23]。其中文獻(xiàn)[13]采用多個(gè)boost變換器級(jí)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)輸入輸出的高增益變換，但變換器級(jí)聯(lián)使用一方面電能轉(zhuǎn)換效率較低，另一方面級(jí)聯(lián)工作還存在穩(wěn)定性問題。文獻(xiàn)[14-16]提出了多種借助耦合電感實(shí)現(xiàn)的高增益升壓變換拓?fù)潆娐罚└械拇嬖谑沟眠@些方案通常伴隨著復(fù)雜的無源或有源輔助電路。文獻(xiàn)[17-18]利用所構(gòu)建的開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，通過開關(guān)的切換工作實(shí)現(xiàn)電源對(duì)電容的并聯(lián)充電和電容對(duì)負(fù)載的串聯(lián)放電，從而實(shí)現(xiàn)了輸入輸出的高增益變換，但應(yīng)采用的開關(guān)數(shù)量多，存在成本高、驅(qū)動(dòng)及控制電路復(fù)雜等問題。文獻(xiàn)[19-20]通過電容、二極管構(gòu)建了一種高增益升壓?jiǎn)卧摲桨妇哂虚_關(guān)管數(shù)量少增益比可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，但存在各個(gè)增益單元中電容電流應(yīng)力不一致的問題。

本文在兩相交錯(cuò)并聯(lián)boost變換器的基礎(chǔ)之上提出了一種新型非隔離型高增益DC-DC變換器，該變換器具有增益比高以及電壓應(yīng)力低的特點(diǎn)，且兩路電感的電流直接受開關(guān)占空比控制，當(dāng)開關(guān)管S1和S2的占空比相同時(shí)，變換器無需添加額外的檢測(cè)和反饋控制電路即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流。文章在第一節(jié)分析了該變換器的工作原理，在第二節(jié)中討論了其性能特點(diǎn)，最后在第三節(jié)中給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的檢測(cè)結(jié)果。

1 工作原理

本文中所提變換器拓?fù)淙鐖D2所示，包含兩個(gè)電感，兩個(gè)開關(guān)管，四個(gè)二極管及四個(gè)電容。其中電容C3、C4以串聯(lián)形式連接，共同作為輸出濾波電容為負(fù)載供電。為方便后續(xù)的理論分析做以下假設(shè)：1)電路中的開關(guān)器件為理想器件；2)忽略電容C1、C2、C3、C4上的紋波，認(rèn)為其電壓保持不變；3)電感L1、L2的電流工作于連續(xù)導(dǎo)通模式；4)設(shè)定開關(guān)S1、S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位相差180°，占空比相等且均工作于大于0.5的模式下。

圖2 一種交錯(cuò)并聯(lián)非隔離型高增益DC-DC變換器Fig.2 A interleaved non-isolated high step-up DC/DC converter

圖3所示為一個(gè)開關(guān)周期TS內(nèi)，占空比D=0.7時(shí)變換器的主要工作波形。圖4所示為各個(gè)工作模態(tài)下的等效電路，電路具體工作過程如下所述。(建議在圖3中將S1,S2的開關(guān)時(shí)序以便于識(shí)別的方式作出。)

對(duì)第三層級(jí)的研究對(duì)象進(jìn)行建模后，參考埃森曼的探討習(xí)慣和伊塔羅·格伯利尼的建筑“構(gòu)成符號(hào)”分類[1]41，將對(duì)象的建筑符號(hào)分為平面符號(hào)、連接符號(hào)、圍護(hù)符號(hào)、相互交流符號(hào)和屋頂符號(hào)等5個(gè)部分進(jìn)行圖解分析。且因?yàn)?“能指”與“所指”的任意性，為了更貼近集中含義3），在對(duì)應(yīng)語義三角關(guān)系前已經(jīng)對(duì)研究對(duì)象的設(shè)計(jì)語境（其內(nèi)容包括設(shè)計(jì)師言論、地方文化、地理氣候等）進(jìn)行了資料收集。

①工作模態(tài)1[圖4(a)][t0-t1，t2-t3]：該工作模態(tài)下，電路中兩個(gè)開關(guān)均處于導(dǎo)通狀態(tài)，所有二極管均處于關(guān)斷狀態(tài)，輸入電源通過開關(guān)S1、S2分別向電感L1、L2充電，電感電流iL1、iL2在該模態(tài)下均保持線性上升，由于所有二極管均關(guān)斷，電容C1、C2上沒有電流，電容C1、C2兩端電壓uc1、uc2在該模態(tài)下不發(fā)生改變，電容C3和C4此時(shí)單獨(dú)向負(fù)載供電，變換器整體輸出電壓uo下降。該模態(tài)一直持續(xù)到開關(guān)S2關(guān)斷信號(hào)的到來，即t1時(shí)刻此工作模態(tài)結(jié)束。

②工作模態(tài)2[圖4(b)][t1-t2]：在t1時(shí)刻S2關(guān)斷信號(hào)到來，S2關(guān)斷，開關(guān)S1繼續(xù)保持開通狀態(tài)，電感L1的電流iL1在該模態(tài)下繼續(xù)保持線性上升，電感L2的電流一部分通過二極管D4流入電容C2，同時(shí)另一部分通過二極管D2、電容C1、開關(guān)S1流入電容C3，該過程中電感L2、電容C1均處于放電狀態(tài)，電容C2、C3均處于充電狀態(tài)，在該狀態(tài)下二極管D1、D3保持關(guān)斷狀態(tài)，因此電容電壓uc2、uc3上升，uc1、uc4下降，變換器整體輸出電壓上升。開關(guān)S2觸發(fā)信號(hào)在t2時(shí)刻到來，此工作模態(tài)結(jié)束。

③工作模態(tài)3[圖4(c)][t3-t4]：在t1時(shí)刻S1關(guān)斷信號(hào)到來，S1關(guān)斷，開關(guān)S2繼續(xù)保持開通狀態(tài)，電感L2的電流iL2在該模態(tài)下繼續(xù)保持線性上升，電感L1的電流一部分通過二極管D1、開關(guān)S2流入電容C1，同時(shí)另一部分通過二極管D3、電容C2、開關(guān)S2流入電容C4，該過程中電感L1、電容C2均處于放電狀態(tài)，電容C1、C4均處于充電狀態(tài)，在該狀態(tài)下二極管D2、D4保持關(guān)斷狀態(tài)，因此電容電壓uc1、uc4上升，uc2、uc3下降，變換器整體輸出電壓上升。開關(guān)S1觸發(fā)信號(hào)t4時(shí)刻到來，進(jìn)入工作模態(tài)1，變換器開始重復(fù)下一個(gè)開關(guān)周期的工作。

圖3 一個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)的主要波形Fig.3 Key waveformsproposed converter

圖4 不同工作模態(tài)下的等效電路Fig.4 Equivalent circuit of different working states

2 性能分析

2.1 電壓增益M

根據(jù)電感L1的伏秒平衡可得：

uinD=(uc1-uin)(1-D)，

(1)

uinD=(uc4-uc2-uin)(1-D)。

(2)

根據(jù)電感L2的伏秒平衡可得：

uinD=(uc2-uin)(1-D)，

(3)

uinD=(uc3-uc1-uin)(1-D)。

(4)

(5)

(6)

(7)

因此電壓增益M為

(8)

2.2 開關(guān)器件電壓應(yīng)力分析

通過在第一節(jié)中變換器主要工作模態(tài)的分析可知，所提變換器開關(guān)S1、S2所承受的電壓應(yīng)力記做uvpS1和uvpS2，分別為：

(9)

(10)

二極管D1、D2、D3的電壓應(yīng)力uvpD1、uvpD2、uvpD3為

(11)

二極管D4的電壓應(yīng)力uvpD4為

(12)

傳統(tǒng)boost變換器的開關(guān)和二極管電壓應(yīng)力均為輸出電壓uo，顯然所提電路中開關(guān)S1、S2的電壓應(yīng)力僅為boost變換器的1/4，二極管D4的電壓應(yīng)力得到了同樣幅度的降低，二極管D1、D2、D3的電壓應(yīng)力為boost變換器的1/2，也得到了有效的降低。因此所提變換器在開關(guān)器件選擇時(shí)具有更大的空間，可以降低系統(tǒng)的成本，提高整體工作效率。

2.3 開關(guān)器件的電流應(yīng)力分析

為簡(jiǎn)化分析過程，考慮到電感L1、L2的電流均工作于連續(xù)導(dǎo)通模式，因而忽略iL1、iL2的紋波，用其平均值代替，分別記為IL1和IL2。類似地設(shè)定輸入電流的平均值為Iin。變換器穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，電容C1、C2、C3、C4均需滿足安秒平衡，因此可以得到

IL1(1-D)Ts=IL2(1-D)Ts。

(13)

即

(14)

顯然，在開關(guān)占空比相等的條件下，流過電感L1、L2的電流大小相等，相比于傳統(tǒng)boost變換器，所提電路無需添加其它輔助電路或控制策略來實(shí)現(xiàn)均流，不僅簡(jiǎn)化了變換器系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)難度，同時(shí)也降低了成本。

記Is1和Is2分別為開關(guān)S1、S2的電流平均值，同理記ID1、ID2、ID3、ID4分別為二極管D1、D2、D3、D4的電流平均值。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，開關(guān)S1有電流流過的模態(tài)有模態(tài)1和模態(tài)2，根據(jù)第一節(jié)中穩(wěn)態(tài)分析的結(jié)果可知，模態(tài)1中流過S1的電流即為電感電流IL1，持續(xù)的時(shí)間為(2D-1)Ts；模態(tài)2中由于開關(guān)S2關(guān)斷，電感L2的電流將流經(jīng)兩條支路，一條經(jīng)過電容C1、二極管D1以及開關(guān)S1回到電源負(fù)極，另一條經(jīng)過電容C2、二極管D4回到電源負(fù)極，由電容C1和C2的安秒平衡可知，流過這兩條支路的電流平均值相等，因此在模態(tài)2中流過S1的電流為電感電流IL1與電感電流IL2的一半之和，持續(xù)的時(shí)間為(1-D)Ts，開關(guān)S2的分析過程與上述過程類似，區(qū)別在于當(dāng)開關(guān)S1關(guān)斷時(shí)電感L1的電流將全部通過開關(guān)S2開關(guān)回到電源負(fù)極，因此可得，開關(guān)S1、S2的電流平均值Is1和Is2為：

(15)

(16)

由電容的安秒平衡可知變換器穩(wěn)態(tài)工作時(shí)流過其上的電流平均值為零，可得：

ID1=ID2=ID3=ID4。

(17)

又由于

(18)

(19)

可得到

(20)

3 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證理論分析的有效性和正確性，設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)額定功率為400W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，樣機(jī)的具體參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)Table 1 Component list for the experimental prototype

通過上述樣機(jī)的測(cè)試得到了如圖5所示的主要實(shí)驗(yàn)波形。

圖5 實(shí)驗(yàn)波形Fig.5 Experimental waveforms

從圖5(a)可以看出，開關(guān)管S1、S2的占空比D1、D2均設(shè)為D=0.7，輸入電壓和輸出電壓分別為30 V和400 V，因此可以看出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)際升壓比和第二節(jié)中的分析結(jié)果基本一致。從圖5(b)可以看出，流過電感L1、L2的電流平均值均約為7 A，由于兩者之間的相位相差了180°，因此可以明顯看到輸出電流的紋波得到了較好的改善。從圖5(c)可以看出，流過開關(guān)S2的電流略大于流過開關(guān)S1的電流與式(15)、式(16)的分析結(jié)果一致，其中開關(guān)S1的電流在中間出現(xiàn)先上升和下降的原因在于模態(tài)2中，開關(guān)S2關(guān)斷，電感L2的電流將流經(jīng)兩條支路，一條經(jīng)過電容C1、二極管D1以及開關(guān)S1回到電源負(fù)極，另一條經(jīng)過電容C2、二極管D4回到電源負(fù)極，雖然由電容C1和C2的安秒平衡可知流過這兩條支路的電流平均值相等，但同時(shí)流過這兩個(gè)支路中的電流瞬時(shí)值會(huì)受電路寄生參數(shù)的影響而無法保持一致，因此出現(xiàn)了圖5(c)中的現(xiàn)象。從圖中也可以看出兩個(gè)開關(guān)管的電壓應(yīng)力均在100 V附近，與式(9)、式(10)的分析結(jié)果一致。類似地，二極管電壓應(yīng)力的結(jié)果也可以從圖5(d)中獲得。從圖5(e)可以看出，電容C1、C2上的電壓均約為100 V，電容C3、C4上的電壓均約為200 V，與式(5)、式(6)的結(jié)果相同。

圖6為樣機(jī)實(shí)測(cè)效率曲線，所檢測(cè)的功率點(diǎn)為輸入電壓保持在30 V，輸出電壓保持在400 V的條件下改變負(fù)載電阻所得，最大效率接近94%，額定功率輸出時(shí)效率約為92.5%。

圖6 效率曲線Fig.6 Efficiency curve with different loads

4 結(jié) 論

本文所提變換器相比于傳統(tǒng)boost變換器具有其4倍的升壓變換能力，理論分析和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果顯示所提電路具有以下特點(diǎn)：①兩相輸入電流可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)平均分配，不需要其它輔助均流方案；②開關(guān)管和二極管的電壓應(yīng)力均得到了大幅度降低，其中開關(guān)管僅為boost變換器的1/4；③不采用變壓器和耦合電感的情況下，實(shí)現(xiàn)了高增益，避免了極限占空比的出現(xiàn)。綜上所述，所提變換器適用于無需電氣隔離的高增益變換場(chǎng)合，如光伏發(fā)電、燃料電池發(fā)電等新能源中。

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(編輯：賈志超)

Non-isolated high step-up DC-DC converter

ZHU Bin-xin， REN Lu-lu， WU Xi

(Hubei Micro-grid Engineering Technology Research Center,China Three Gorges University,Yichang 443002,China)

High step-up DC/DC converters are widely used in uninterruptible power system, new energy power generation and other industrial applications.Based on two-phase traditional interleaved boost converter, a non-isolated high step-up DC/DC converter is proposed, which has advantages of lower input current ripple, automatic current sharing, lower voltage stress of switch devices, and larger input and output gain ratio.It is suitable for the applications as input and output gain ratio is very high and no electrical isolation is required.Firstly, the operating principles were discussed in detail, and then the main performance characteristics of the converter were deduced.Finally, experimental results from a 400 W prototype were given to validate the correctness of theoretical analysis.

non-isolated; high step-up; DC-DC power conversion; voltage stress

2015-09-13

國家自然科學(xué)基金(51607104)；湖北省教育廳優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(T201504)

邾玢鑫(1986—),男，博士，副教授，研究方向?yàn)樾履茉措娏ψ儞Q、多端口DC/DC變換器拓?fù)浼翱刂疲?任路路(1989—),女，碩士研究生，研究方向?yàn)楦咴鲆鍰C/DC變換器拓?fù)潆娐芳翱刂疲?吳 襲(1991—),男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡p向功率變換器、高效率DC/DC變換器。

邾玢鑫

10.15938/j.emc.2017.04.004

TM 46

A

1007-449X(2017)04-0025-06