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        一種單開關(guān)高增益DC-DC升壓變換器

        2022-07-27 00:30:52深圳供電局有限公司陳泰霖柴二亮符湛茹深圳微網(wǎng)能源管理系統(tǒng)實驗室有限公司廖貴臏
        電力設(shè)備管理 2022年12期
        關(guān)鍵詞:高增益二極管電感

        深圳供電局有限公司 陳泰霖 柴二亮 樊 曄 符湛茹 深圳微網(wǎng)能源管理系統(tǒng)實驗室有限公司 廖貴臏

        深圳帶電科技發(fā)展有限公司 繆寶鋒 廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院 廖宇凱

        近年來,科技的進步使得人類對電的需求急劇增加[1]。近10年來,化石能源的日益枯竭、環(huán)境問題日趨嚴重等問題迫使科研人員開發(fā)風(fēng)能、太陽能光伏等可再生能源[2-5]。然而,太陽能光伏等可再生能源的輸出電壓遠低于直流母線電壓,不能夠直接并入直流母線中。因此,需要在太陽能光伏輸出和直流母線中加入一級DC-DC升壓變換器[6-8]。

        Boost變換器是經(jīng)典的升壓變換器,具有拓撲簡單、器件少、控制簡單等優(yōu)點[9]。在開關(guān)管占空比足夠大的情況下,其增益理論上能達到無窮大。然而現(xiàn)實中,由于變換器中存在寄生參數(shù)、二極管的反向恢復(fù)效應(yīng)等原因,在高占空比下,Boost變換器的增益也極為有限。而其他經(jīng)典的變換器如Buck-Boost變換器、SEPIC變換器、Zeta變換器也存在著上述問題。

        將多個DC-DC升壓變換器級聯(lián)是有效提升變換器增益的方法之一[10]。然而級聯(lián)變換器往往存在著大量的冗余器件。這會導(dǎo)致變換器效率低下、制造成本高,甚至多余的開關(guān)管還會帶來控制上的困難。并且大量的寄生參數(shù)還會形成潛電路,增加了不需要的工作模態(tài),嚴重時還會使變換器的性能改變,使得變換器無法正常工作[11-12]。

        近年來,科研人員們提出了大量帶變壓器或耦合電感的升壓變換器[13-16]。文獻[17]所提出的隔離型升壓變換器通過提高變壓器一二次側(cè)的變比,大大提升了升壓倍數(shù)。但是,所有的隔離型升壓變換器都有二次側(cè)的電壓應(yīng)力高的特性,這使得二次側(cè)必須使用高耐壓的開關(guān)管,不僅增加了器件成本,還增加了導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗,進而影響了變換器的效率[18]。此外,變壓器使得變換器的體積和質(zhì)量大大增加,降低了變換器的功率密度。文獻[19]構(gòu)造出了基于耦合電感的升壓變換器,通過提高耦合電感的匝數(shù)比,可以實現(xiàn)耦合電感變換器的高電壓增益。然而耦合電感的漏感是導(dǎo)致電流產(chǎn)生尖峰的重要因素,需要使用箝位電路對其進行抑制,這無疑增加了變換器的器件成本。

        基于此,本文提出了一種單開關(guān)高增益DC-DC升壓變換器。所提出的變換器對輸入電壓作了兩次提升,并且通過輸出側(cè)的二極管和電容將電壓進行了進一步泵升。所提出的變換器僅包含一個開關(guān)管,控制簡單,并且不含變壓器及耦合電感也降低了變換器的體積,提升了功率密度。

        1 變換器拓撲及工作原理

        1.1 變換器拓撲

        圖1為本文所提出的單開關(guān)高增益DC-DC升壓變換器的等效電路。

        圖1 變換器的等效拓撲

        其中包括直流輸入電源Vin,二極管D1,D2,D3,D4,開關(guān)管S,電感L1,L2,L3,電容C1,C2,C3和負載R。

        1.2 工作原理分析

        圖2為變換器的主要波形圖,從圖2可以看出,所提出的變換器共有兩個工作模態(tài)。各個工作模態(tài)等效圖如圖3所示,虛線代表電流流通路徑。

        圖2 變換器的主要工作波形

        工作模態(tài)一[0-DTs]:如圖3(a)所示,在此時間間隔內(nèi),開關(guān)管S開通,二極管D1、二極管D2、二極管D4和二極管D5導(dǎo)通,二極管D3和二極管D6不導(dǎo)通,電源Vin給電感L1、電感L2、電感L3及電容C1充電,電容C2、C3維持電壓基本恒定,給電容C4充電并給負載R供電。

        在此模態(tài)下,流經(jīng)電感L1、電感L2、電感L3的電流持續(xù)線性上升并且兩端的電壓表示如下:

        工作模態(tài)二[DTS-TS]:如圖3(b)所示,在此時間間隔內(nèi),開關(guān)管S關(guān)斷,二極管D3和二極管D6導(dǎo)通,二極管D1、二極管D2、二極管D4和二極管D5關(guān)斷。電源Vin、電感L1、電感L2、電感L3及電容C1給電容C2、C3充電,電感L3中的能量也釋放給電容C3,電容C4維持電壓基本恒定并給負載R供電。

        圖3 各個工作模態(tài)的等效電路及電流路徑

        在此模態(tài)下,流經(jīng)電感L1、L2、L3的電流持續(xù)線性下降并且兩端的電壓表示如下:

        2 變換器增益分析

        升壓增益。為了便于進行分析,簡化分析過程,本文作出了以下三個假設(shè):

        一是在一個周期中,流過電感的電流和電容兩端的電壓為恒值。二是所有的器件都為理想器件。三是L1=L2。

        在工作模態(tài)1中,從圖3(a)可以看出VL1=VL2。

        在工作模態(tài)2中,如圖3(b)所示,電感L1與電感L2串聯(lián),并且其感值相同,因此同樣有VL1=VL2,由公式(2)可得:

        結(jié)合公式(1)至(3),根據(jù)電感固有的伏秒平衡特性,對于電感L1和電感L2可以得到如下關(guān)系式:

        對于電感L3可以得到如下關(guān)系式:

        又因為在開關(guān)管S開通時,電容C1直接連通到直流輸入電源Vin兩端,因此:

        根據(jù)公式(4)至(7),可得單開關(guān)高增益DC-DC升壓變換器的電壓增益。

        3 參數(shù)設(shè)計

        假設(shè)電感電流紋波允許范圍xL=10%,電容電壓紋波允許范圍xC=5%。

        3.1 電感設(shè)計

        對于電感L1有:

        由公式(9)至(12)可得:

        對于電感L2有:

        對于電感L3有:

        由公式(15)-(18)可得:

        3.2 電容設(shè)計

        對于電容C1有:

        由公式(20)至(23)可得:

        對于電容C2有:

        4 仿真驗證

        為了驗證本文所提出的變換器的有效性和正確性,采用了仿真軟件PSIM對其進行仿真驗證。其中使用的仿真參數(shù)如表1所示。

        表1 仿真參數(shù)

        由公式(25)至(28)可得:

        對于電容C3有:

        由公式(30)至(33)可得:

        對于電容C4有:

        由公式(35)至(38)可得:

        圖4為所提出的變換器在表1參數(shù)下仿真得到的驅(qū)動信號、輸入電壓和輸出電壓波形圖。輸出電壓為120V,與理論分析一致。

        圖4 Vgs、Vin及Vo的波形

        圖5為電感L1、電感L2及電感L3的波形,分別為14.4A、14.4A及2.4A,紋波為10%,能夠滿足設(shè)計的要求。

        圖5 IL1、IL2及IL3的波形

        5 結(jié)論

        本文提出了一種新型的單開關(guān)高增益DC-DC升壓變換器。所提出的變換器使用了開關(guān)電感對輸入電壓作了第一次提升,再通過二次型結(jié)構(gòu)對輸入電壓作了第二次提升,最后通過輸出側(cè)的二極管和電容將電壓進一步泵升。與傳統(tǒng)的DC-DC升壓變換器相比,所提出的變換器 在具有極高的增益的同時,僅需要一個開關(guān)管,控制簡單。并且不含變壓器及耦合電感,具有高功率密度。最后的仿真驗證了所提出的變換器的有效性和正確性。

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