陳 庚，董秀成，李浩然，代 莎，廖官根

（西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，成都 610039）

非隔離新型高增益DC-DC升壓變換器

陳 庚，董秀成，李浩然，代 莎，廖官根

（西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，成都 610039）

針對光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池板輸出電壓低，而要求其并網(wǎng)逆變器前端直流母線輸入電壓高的特點(diǎn)，提出了一種非隔離型高增益DC-DC升壓變換器。對其工作原理和性能特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析。并制作了一臺輸出功率為200 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該變換器具有如下特點(diǎn)：在相同占空比的條件下，變換器具有2倍于傳統(tǒng)Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓增益；變換器中兩有源開關(guān)管的電壓應(yīng)力為傳統(tǒng)Boost電路中有源開關(guān)管電壓應(yīng)力的一半；變換器中兩電感電流一直相等而無需任何均流控制，外加兩有源開關(guān)管采用同步控制，控制策略簡單。

高電壓增益；有源網(wǎng)絡(luò)；同步控制；變換器

Abstract：For PV panel output voltage is low in photovoltaic system,and the requirements to the grid inverter’s front-end DC bus input voltage is high characteristics,a novel non-isolated high-gain DC-DC Boost converter is proposed in this paper.The detailed theoretical analysis about its working principle and performance characteristics have been given.On this basis,a experimental prototype of output power about 200 W is made,and the experimental results show that the converter has the following characteristics,such as,under the condition of the same duty cycle,the converter voltage gain is twice of the conventional Boost topology;the voltage stress of the active switch tube in the converter is the half of the output voltage,that is half of traditional Boost topology’s voltage stress of the active switch tube;the converter’s two inductor currents are equal without any flow control and the two active switch tube have synchronous control all the time,so the control strategy is simple.

Keywords:high voltage gain;active power;synchronous control;converter

隨著化石能源的日益枯竭及其燃燒后對環(huán)境的污染問題等越來越受到國際社會的關(guān)注，尋找新型可再生、無污染的能源迫在眉睫。太陽能發(fā)電因其取之不盡用之不竭且清潔無污染等優(yōu)點(diǎn)，成為了人們對未來能源需求研究的重點(diǎn)課題，潛力巨大。

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏板直接輸出的直流電壓較低，一般為33～43 V，而針對AC 220 V的市電，即使是使用全橋并網(wǎng)逆變器,其直流輸入母線電壓一般也要380 V，如何實(shí)現(xiàn)高增益DC-DC升壓是實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中急需解決的問題之一[1-4]。

隔離型DC-DC變換器通過增加拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中高頻變壓器的匝數(shù)比來提高電壓[5-8]，但過高的匝數(shù)比會影響變換器的線性度。同時變換器的漏感也是急需要考慮的問題。因高頻變壓器在系統(tǒng)體積和能量變換效率上相較于非隔離型DC-DC變換器也存在諸多不足[9-10]，因此非隔離型變換器才是時下研究的重點(diǎn)。

雖然Boost變換器當(dāng)占空比接近1時，在理論上其電壓增益可以接近無窮大，但隨著開關(guān)關(guān)斷時間的縮短，其電感電流紋波、功率器件峰值電流和輸出電流紋波都將逐漸變大；其有源開關(guān)管和無源開關(guān)管的電壓應(yīng)力等于輸出電壓，過大的電壓應(yīng)力會大大增加變換器的功率損耗降低變換器的傳輸效率。所以基本Boost變換器在實(shí)際應(yīng)用中為了保證一定的變換效率，其一般只適用于電壓增益不大于6的場合[11]。

為了提高變換器的電壓增益和能量傳輸效率，已有學(xué)者提出了很多非隔離型高增益DC-DC升壓變換器[12-17]。文獻(xiàn)[12]通過在Boost電路中引入開關(guān)電感的方式，給出了該拓?fù)湓诶硐霔l件下的穩(wěn)態(tài)分析，雖然具有簡單的控制策略，但該變換器拓?fù)渲虚_關(guān)管的電壓應(yīng)力仍然較高，而其電壓增益依然較低；文獻(xiàn)[14]采用Boost電路多電平輸出的方式來實(shí)現(xiàn)電壓高增益，但要實(shí)現(xiàn)高增益的前提是必須增加輸出的電平數(shù)，即電容數(shù)量，這大大增加了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性；文獻(xiàn)[16]采用兩個Boost電路級聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)電壓高增益，但其前后兩級Boost電路存在控制節(jié)拍差，且后級Boost電路中開關(guān)管的電壓應(yīng)力等于輸出電壓；文獻(xiàn)[17]通過在Boost電路中引入開關(guān)電容的方式，實(shí)現(xiàn)電壓高增益，但隨著升壓比的提升，電路中的二極管和電容數(shù)量必將大量增加，且其電感電流應(yīng)力依然較大。

本文針對光伏發(fā)電系統(tǒng)對直流升壓變換器的要求，提出了一種基于有源網(wǎng)絡(luò)的二倍于基本Boost電路元器件的非隔離新型高增益DC-DC升壓變換器。文章詳細(xì)介紹了所提變換器的各種工作模態(tài)，嚴(yán)密推導(dǎo)了其電壓增益、開關(guān)管電壓應(yīng)力、元器件電流應(yīng)力和電容電壓紋波峰峰值等公式，最終通過200 W的試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

1 工作原理

本文提出的微型高增益DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中開關(guān)管S1和S2采用同一控制信號進(jìn)行同步控制，電感L1和L2參數(shù)相同L1=L2。為了簡化分析，現(xiàn)做如下假設(shè)：電容C1、C2足夠大，其上電壓UC1、UC2保持不變；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中所有元器件均為理想器件，忽略其寄生參數(shù)等的影響。

圖1 高增益DC-DC變換器電路Fig.1 Circuit of high step-up DC-DC converter

圖2 CCM和DCM下變換器主要波形Fig.2 Typical waveforms of the proposed converter with CCM and DCM

圖2所示為電路在電感電流連續(xù)模式CCM（continuous conduction mode）和電感電流斷續(xù)模式DCM（discontinuous conduction mode）下工作時，電路中元器件的電壓和電流波形。其中D1TS為開關(guān)管S1、S2的導(dǎo)通時間，D2TS為開關(guān)管S1、S2的關(guān)斷時間，Ugs為加載在開關(guān)管S1和S2上的控制信號。

表1為變換器在3種工作模態(tài)下的變換器的開關(guān)狀態(tài)。

表1 開關(guān)狀態(tài)Tab.1 States of switches

（1）工作模態(tài)1：等效電路如圖3所示。此時，電感L1、L2并聯(lián)由電源充電電壓為UL1=UL2=UDC；電感電流IL1、IL2線性上升，且輸入電流Iin=IL1+IL2+ID2；電源UDC和電容電壓UC1串聯(lián)，給電容C2和負(fù)載Rd供電，UDC+UC1=UC2=UO。

圖3 工作模式1等效電路Fig.3 Equivalent circuit of the proposed converter under operation mode 1

（2）工作模態(tài)2：等效電路如圖4所示。此時，電感L1、L2的感應(yīng)電動勢UL1、UL2和電源UDC串聯(lián)，給電容C1充電，有UDC+UL1+UL2=UC1；電感電流IL1、IL2線性下降，且Iin=IL1=IL2=ID1；負(fù)載Rd由電容電壓UC2供電，即UC2=UO。

圖4 工作模態(tài)2等效電路Fig.4 Equivalent circuit of the proposed converter under operation mode 2

（3）工作模態(tài)3：等效電路如圖5所示。此時，電感電流斷續(xù)，即Iin=IL1=IL2=ID1=ID2=0，負(fù)載Rd僅由電容電壓UC2供電，即UC2=UO。

圖5 工作模態(tài)3等效電路Fig.5 Equivalent circuit of the proposed converter under operation mode 3

2 性能分析

2.1 電壓增益M

1）電感電流連續(xù)模式電感增益MCCM

由變換器的工作原理可知，在CCM模式下變換器的開關(guān)管在工作模態(tài)1和2之間進(jìn)行循環(huán)切換，且有UL1=UL2、IL1=IL2。

由電感L1、L2的伏秒平衡可知

式中，D1、D2分別為開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時間的占空比。因D1+D2=1，得

2）電感電流斷續(xù)模式電感增益MDCM

由變換器的工作原理可知，在DCM模式下變換器的開關(guān)管在工作模態(tài)1、2和3之間依次往返切換。

在工作模態(tài)1時，電容C1放電；在工作模態(tài)2時，電容C1充電；在工作模態(tài)3時，電容C1開路。由電容C1的安秒平衡可知

由式（1）、式（3）可得

由于光伏系統(tǒng)中DC/DC環(huán)節(jié)所用變換器都是工作在CCM模式下，因此后續(xù)分析均默認(rèn)在CCM模式下進(jìn)行。

2.2 開關(guān)管電壓應(yīng)力

（1）有源開關(guān)S1、S2承受的電壓應(yīng)力分別為UvpS1、UvpS2，即

因UC1=UO-UDC，由式（2）得

因UDC+UL1+UL2=UC1，有

由式（5）～式（7）可得

（2）無源開關(guān)D1、D2承受的電壓應(yīng)力分別為UvpD1、UvpD2，即

由式（8）～式（10）可知,有源開關(guān)S1、S2和無源開關(guān)D2的電壓應(yīng)力等于輸出電壓UO的1/2，無源開關(guān)D1的電壓應(yīng)力等于輸出電壓UO。這相較于傳統(tǒng)的BOOST變換器，開關(guān)管的電壓應(yīng)力有很大的降低。所以可選擇耐壓低的開關(guān)管，從而提高變換器的能量傳輸效率。

2.3 開關(guān)管電流應(yīng)力

設(shè)電感L1、L2的平均電流分別為IAL1、IAL2。因電感L1、L2參數(shù)相同，且并聯(lián)充電，串聯(lián)放電，則有

由電容C1的安秒平衡可知

以圖3工作模態(tài)1為計(jì)時起點(diǎn)，在此后一個開關(guān)周期TS內(nèi)，電感電流IL1為

以開關(guān)管S1、S2導(dǎo)通為計(jì)時起點(diǎn)，在一個周期TS內(nèi)，無源開關(guān)管D1、D2的電流分別為

由圖3和圖4可得流過S1、S2的電流IS1、IS2為

由式（11）～式（17）可得，有源開關(guān)管S1、S2的電流應(yīng)力 IcpS1、IcpS2和無源開關(guān)管 D1、D2的電流應(yīng)力IcpD1、IcpD2分別為

2.4 輸入電流關(guān)系

輸入電流表示為

將式（11）、式（12）和式（14）代入式（17），可得

2.5 電容C1電壓紋波峰峰值

由式（12）可知，電容C1上電壓UC1的電壓峰峰值UC1pk為

2.6 輸出電壓紋波峰峰值

輸出電壓UO的紋波峰峰值UOpk為

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證上述理論分析的正確性，對圖1所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在CCM模式下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：輸入電壓UDC=30 V，輸出電壓UO=200 V，有源開關(guān)S1、S2均選用型號為IRFP260N的mosfet管，工作頻率為10 kHz，電容C1和C2為47 μF，電感L1和L2為500 μH，二極管D1、D2選用BYV34-500，負(fù)載Rd=200 Ω，輸出功率Po=200 W。

變換器在輸入30 V電壓時的實(shí)驗(yàn)波形，如圖6所示。圖6（a）為有源開關(guān)管S1、S2的占空比控制信號Ugs1、Ugs2的實(shí)驗(yàn)波形，其中D1=0.7左右；圖6（b）為無源開關(guān)管D2、D1所承受的電壓，即其電壓應(yīng)力UvpD1、UvpD2，其值與理論分析值相符。圖6（c）為有源開關(guān)管S1、S2的漏源極電壓Uds1、Uds2，即其電壓應(yīng)力UvpS1、UvpS2，其值與理論計(jì)算值一致。圖6（d）為輸入電壓UDC、電容C1所承受電壓UC1、輸出電壓UO的實(shí)驗(yàn)波形，其值驗(yàn)證了理論分析的正確性。

圖6 變換器在輸入30 V電壓時的實(shí)驗(yàn)波形Fig.6 Typical experimental waveforms of the proposed converter when input voltage 30 V

圖7所示為本文所提非隔離新型高增益DC-DC升壓變換器在負(fù)載Rd=200 Ω時，變換器能量傳輸效率隨輸出電壓變化而變化的曲線。由此功率曲線可知，其能量傳輸效率隨輸出電壓的增加而增大。

圖7 變換器在不同輸出電壓下的效率曲線Fig.7 Efficiency curve of the proposed converter with different output voltages

4 結(jié)語

本文提出了一種非隔離新型高增益DC-DC升壓變換器。通過對其工作模態(tài)、電壓增益、開關(guān)管電壓電流應(yīng)力等的詳細(xì)分析，論證了其具有電壓增益高、控制策略簡單和開關(guān)管電壓電流應(yīng)力較小等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)所提變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，制作了一臺200 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

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Novel Non-isolated High-gain DC-DC Boost Converter

CHEN Geng,DONG Xiucheng,LI Haoran,DAI Sha，LIAO Guangen
（School of Electrical Engineering and Electronic Information,Xihua University,Chengdu 610039,China）

陳庚

10.13234/j.issn.2095-2805．2017．5.46

TM46

A

2016-09-14；

2017-02-19

四川省電力電子節(jié)能技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（szjj2014-013）;四川省教育廳重大培育資助項(xiàng)目（13ZC0003）；西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（ycjj20170 53）

Project Supported by the Fund of Sichuan Province Key Laboratory of Power Electronics Energy-saving Technologies&E-quipment,Xihua University（szjj2014-013）;the Major Cultivation Project of Education Bureau of Sichuan Province,China（13ZC0003）;the innovation fund of postgraduate,xihua university（ycjj2017053）

陳庚（1988-），男，通信作者，碩士研究生，研究方向：光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)和開關(guān)電源中的DC-DC直流升壓變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制，E-mail:crznh177@163.com。

董秀成（1963-），男，碩士研究生，教授、研究生導(dǎo)師，研究方向：電力電子與電力傳動、復(fù)雜非線性控制系統(tǒng)建模與控制、智能控制，E-mail:dxc136@163.com。

李浩然（1990-），男，中國電源學(xué)會會員，碩士研究生，研究方向：開關(guān)電源拓?fù)浼捌淇刂疲珽-mail:13 7991851@qq.com。

代莎（1992-），女，碩士研究生，研究方向：新能源并網(wǎng)，E-mail:5684954@qq.com。

廖官根（1989-），男，碩士研究生，研究方向：電力系統(tǒng)運(yùn)行控制和電能質(zhì)量方面的研究，E-mail:liaogg123@126.com。