吳雷 全書海

摘 要： 針對(duì)如何提高變換器增益的同時(shí)，使變換器具有更高的工作效率，提出一種高升壓比ZVS直流變換器，詳細(xì)分析其工作狀態(tài)與原理，在此基礎(chǔ)上對(duì)其電壓增益進(jìn)行推導(dǎo)，討論其ZVS工作條件，特別分析考慮電路寄生參數(shù)影響時(shí)變換器的工作情況。發(fā)現(xiàn)該變換器具有如下特點(diǎn)：1） 通過合理設(shè)計(jì)電路參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)高升壓變換； 2） 采用兩相交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)，使得輸入電流及輸出電壓紋波頻率變?yōu)殚_關(guān)頻率的兩倍； 3） 所有的開關(guān)管和輸出二極管都實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)，減小了電路損耗。最后搭建了一臺(tái) 5 KW 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。

關(guān)鍵詞： 高升壓比；ZVS；兩相交錯(cuò)

0引 言

BOOST變換器由于結(jié)構(gòu)簡單、易控制、效率高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于UPS、功率因數(shù)校正、通訊電源等諸多領(lǐng)域。隨著新能源技術(shù)不斷發(fā)展，不可再生能源的消耗日益嚴(yán)重，使得燃料電池、太陽能等新型能源在電源領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。由于太陽能和燃料電池輸出直流電壓較低，一般為幾十伏到一百來伏之間，不足以為電機(jī)、并網(wǎng)逆變器等模塊提供所需的高壓輸入。因此，高效率高升壓比直流變換器在燃料電池等新能源領(lǐng)域中不可或缺。

本文提出的高升壓比ZVS直流變換器，不需要額外增加諧振電路就可以使開關(guān)管和二極管工作在ZVS狀態(tài)，即開關(guān)管零電壓關(guān)斷，二極管零電壓開通，可以很大程度的降低開關(guān)損耗，提高變換器的效率和功率密度，并搭建仿真和實(shí)物進(jìn)行原理驗(yàn)證。

1工作原理

圖1為本文所提出的高升壓比ZVS直流變換器主電路及其各狀態(tài)圖，在分析其工作原理之前做如下假設(shè)：1）電容C1、C2取臨界狀態(tài)值且C1=C2，Cout足夠大，輸出電壓保持不變。2）電感 L1與 L2 相等且足夠大，流過的電流連續(xù)；3）所有器件都是理想器件，不考慮寄生參數(shù)等的影響。4）開關(guān)占空比D>0.5，有源開關(guān)VT1、VT2采用相差180°的相位控制。

開關(guān)狀態(tài)1（t0-t1）開關(guān)管VT1關(guān)斷，VT2導(dǎo)通，輸入電流第一條支路由電源正極經(jīng)電感L2、開關(guān)管VT2流向電源負(fù)極；第二條支路由電源正極經(jīng)電感L1、二極管D2、VT2給電容C2充電，一部分經(jīng)二極管D2、D4給負(fù)載供電，另一部分直接經(jīng)電感L1、電容C1、二極管D3給負(fù)載供電，此時(shí)的電容C1處于放電狀態(tài)。由于該期間電容C2處于完全充電狀態(tài)，C1處于完全放電狀態(tài)，故開關(guān)管VT1可實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷，二極管D4可實(shí)現(xiàn)零電壓開通。因?yàn)殡姼腥≈递^大所以可設(shè)t0時(shí)刻流入電感初值保持不變，L2的電流初始值為I0，則：

（1）

（2）

（3）

（4）

其中根據(jù)功率守恒定律有：

（5）

R為輸出負(fù)載電阻阻值，Uout為輸出電壓值。

（a）開關(guān)狀態(tài)1狀態(tài)圖

（b）開關(guān)狀態(tài)2、4狀態(tài)圖

（c）開關(guān)狀態(tài)3狀態(tài)圖

開關(guān)狀態(tài)2（t1-t2）開關(guān)管VT1、VT2同時(shí)導(dǎo)通，輸入電流從電源正極分別流經(jīng)電感L1、L2、開關(guān)管VT1、VT2到電源負(fù)極，形成兩個(gè)閉合回路；同時(shí)輸出電容Cout給負(fù)載供電維持輸出電壓的穩(wěn)定。此時(shí)的開關(guān)管兩端電壓為零，電感電流呈線性增長，電容C1、C2及二極管兩端電壓被箝位。由于在t1時(shí)刻電感L1的電流剛好減小到零，所以：

（6）

（7）

（8）

開關(guān)狀態(tài)3（t2-t3）開關(guān)管VT1導(dǎo)通、VT2關(guān)斷，輸入電流第一條支路由電源正極經(jīng)電感L1、開關(guān)管VT1到電源負(fù)極形成一個(gè)閉合回路；第二條支路由電源正極經(jīng)電感L2、二極管D1、電容C1的正極、開關(guān)管VT1給電容C1充電，與開關(guān)狀態(tài)1類似。

（9）

（10） （11）

（12）

開關(guān)狀態(tài)4（t3-t4）開關(guān)管VT1、VT2又同時(shí)導(dǎo)通，電感電流繼續(xù)線性上升，電容C1、C2及二極管又繼續(xù)被箝位。在t4時(shí)刻，VT1關(guān)斷，開始下一個(gè)周期工作，重復(fù)之前的各狀態(tài)。

（13）

（14）

（15）

2性能分析

2.1 電壓增益M

普通的兩相交錯(cuò)并聯(lián)高增益DC＼DC變換器[1]是把升壓電容C1、C2取得足夠大讓其等效成一個(gè)電壓源進(jìn)行分析，直接由輸入電壓加上電感上的壓降和電容上的電壓達(dá)到傳統(tǒng)boost變換器的兩倍升壓效果。而本文所研究的是當(dāng)升壓電容C1、C2不能等效成電壓源時(shí)該變換器的增益，電感取值依然可以取的較大值將電感等效為電流源進(jìn)行分析，流入L1、L2的電流相等為輸入電流的一半，流入電容C1、C2的電流相等為電感L2電流的一半，該時(shí)間內(nèi)任意時(shí)刻電容C1上的電壓為：

（16）

而

（17）

由（5）可得，

（18）

（19）

故

（20）

由回路2可知：

（21）

由回路1可知：

（22）

將（21）代入有：

（23）

將此式子化簡得，

（24）

即 （25）

由式（26）可知，根據(jù)輸入輸出參數(shù)合理設(shè)計(jì)電容值，占空比，周期值和負(fù)載便可實(shí)現(xiàn)高升壓變換，而在本文中將著重介紹如何在實(shí)現(xiàn)ZVS的同時(shí)實(shí)現(xiàn)普通boost變換器的兩倍升壓。該增益M只針對(duì)電容C1、C2取小時(shí)有效，電容C1、C2取大時(shí)不滿足該條件需用另外方法進(jìn)行推導(dǎo)。

2.2 ZVS實(shí)現(xiàn)條件

根據(jù)分析整個(gè)周期變換器工作原理可知，要實(shí)現(xiàn)ZVS需滿足在t3時(shí)刻之前，Uc1要上升到Uout，Uc2下降到零伏；

由圖4等效電路圖結(jié)合電容的電荷守恒定律有：

（26）

即 （27）

將（19）、（25）代入（27）可得：

（28）

將（27）代入（25）可得：

（29）

即當(dāng)電容C1、C2取臨界值 時(shí)，變換器剛好可實(shí)現(xiàn)為傳統(tǒng)boost變換器的兩倍升壓；若電容C1、C2取值小于臨界值時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)ZVS，但是增益小于兩倍，介于一倍到兩倍之間；若電容C1、C2取值大于臨界值時(shí)，開關(guān)管VT1、VT2工作在完全硬開關(guān)狀態(tài)，升壓比依然為兩倍。

2.3器件電壓電流應(yīng)力

由于該變換器結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，開關(guān)管電壓電流為單相boost變換器的一半，且能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)均流功能，且二極管D1、D2、D3、D4的電流應(yīng)力為輸入電流的一半，電壓應(yīng)力均為輸出電壓Uout，與普通高增益變換器相比，其電壓、電流應(yīng)力都沒有增加。

3實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，根據(jù)simulink仿真參數(shù)做了一個(gè)5KW樣機(jī)進(jìn)行原理驗(yàn)證，額定時(shí)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：輸入電壓Uin=100V；輸出電壓500V；輸出功率5KW，占空比D=0.6；電感L1=L2=0.4mH，電容C1=C2=0.47μF，輸出電容Cout=1000μF。

圖2是該電路在額定條件下穩(wěn)態(tài)時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。圖2（a）為開關(guān)管VT1、VT2在占空比為0.6相位相差180°的情況下的驅(qū)動(dòng)波形Q1和Q2?？梢钥闯鲈摬ㄐ纬尸F(xiàn)了4種狀態(tài)與前面分析一致。圖2（b）為輸入電壓Uin和輸出電壓Uout的波形圖，可以看出在輸入電壓為100V，占空比為0.6的情況下輸出為500V，升壓比為普通boost的兩倍。圖2（c）為電容C1、C2兩端電壓波形，可以看出電容也呈現(xiàn)出了4種工作狀態(tài)，分別是開關(guān)管VT1關(guān)閉、VT2導(dǎo)通時(shí)，電容C1兩端電壓呈線性下降、C2兩端電壓呈線性上升；開關(guān)管VT1、VT2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電容C1兩端電壓箝位在0V，電容C2兩端電壓箝位在輸出電壓；開關(guān)管VT1導(dǎo)通，VT2關(guān)閉時(shí)，電容C2兩端電壓呈線性下降、C1兩端電壓呈線性上升；開關(guān)管VT1、VT2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電容C2兩端電壓箝位在0V，電容C1兩端電壓箝位在輸出電壓。與前面分析的一致。圖2（d）為開關(guān)管VT1、VT2兩端電壓波形圖，從圖可以看出在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電壓為0V，而關(guān)斷時(shí)開關(guān)管電壓呈現(xiàn)的是緩慢上升，即零壓關(guān)斷，可有效減小開關(guān)損耗。

（a）開關(guān)管VT1、VT2驅(qū)動(dòng)波形

（b）輸入輸出電壓波形

（c）電容C1、C2兩端電壓波形圖

（d）開關(guān)管VT1、VT2兩端波形

4結(jié)論

本文提出了一種高升壓比ZVS直流變換器，通過對(duì)該變換器進(jìn)行理論分析和搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，相對(duì)于普通高升壓電路而言，該電路在實(shí)現(xiàn)高升壓的前提下沒有增加額外的電流電壓應(yīng)力，而且也沒有增加額外的諧振電路，結(jié)構(gòu)簡單，效率較高，易控制。

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