戴俊平，張曉瑀

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

近年來，世界能源需求顯著增加，化石能源的使用增加了溫室氣體的排放，造成更多的環(huán)境污染，因此對清潔能源的需求正在上升。人們進(jìn)行了大量的研究，以尋找新的能源或加強(qiáng)現(xiàn)有的技術(shù)，如光伏電池、燃料電池、超級電容器等。在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，燃料電池等新型能源廣泛應(yīng)用，但其輸出電壓較低，無法達(dá)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓的要求。而多輸入高增益變換器可以結(jié)合不同電源的優(yōu)勢，具有不同的電壓和電流特性，各種電壓增益單元也被用來提高電壓轉(zhuǎn)換能力，實(shí)現(xiàn)最佳的經(jīng)濟(jì)利用。這使得多輸入高增益DC/DC變換器受到越來越多的關(guān)注。

多輸入DC/DC變換器將各種直流電源的輸出轉(zhuǎn)換為公共直流總線的電源。對于多輸入DC/DC變換器的分析、建模和應(yīng)用都有著大量的研究，這些應(yīng)用包括并網(wǎng)集成混合動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池、基于微電網(wǎng)的電信電力系統(tǒng)、不間斷電源以及電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車。傳統(tǒng)的分布式電源系統(tǒng)使用多個(gè)單輸入變換器，其輸出連接到公共直流母線[1]。然而，這種配置相對復(fù)雜且成本高，可以用一種更簡單、更緊湊的方法有效取代幾個(gè)單輸入變換器相對復(fù)雜的設(shè)置。早期的多輸入DC/DC變換器是通過串聯(lián)輸入電壓源的方式，來獲得多輸入拓?fù)鋄2]。在這種配置中，如果一個(gè)輸入源減少，輸出電壓調(diào)節(jié)將會(huì)變得十分困難。另一種方法是將輸入電壓源與單輸入單輸出變換器的輸入端口并聯(lián)[3]。為了防止輸入電壓源一起短路，主開關(guān)必須與每個(gè)輸入源串聯(lián)。因此，只有一個(gè)輸入源可以單獨(dú)將能量傳遞給負(fù)載。文獻(xiàn)[4-5]中的多輸入變換器可以將功率容量或電壓水平不同的多個(gè)電源組合在一起，從而獲得穩(wěn)定輸出電壓。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是一次只允許一個(gè)電源將能量轉(zhuǎn)移到負(fù)載，以防止功率耦合效應(yīng)。在文獻(xiàn)[6-7]中提出的電流饋電型多輸入變換器中，來自不同電源的能量可以通過多繞組變壓器同時(shí)轉(zhuǎn)移到負(fù)載中。但由于功率開關(guān)數(shù)量多，需要復(fù)雜的門驅(qū)動(dòng)電路和控制器，因此該變換器成本高，體積大。文獻(xiàn)[8]中提出的多輸入DC/DC變換器在一次側(cè)采用了幾個(gè)并聯(lián)變換器，能實(shí)現(xiàn)高升壓，但是在一次側(cè)的每個(gè)變換器有2個(gè)電感，使設(shè)計(jì)笨重且昂貴。文獻(xiàn)[9]中使用了z源變換器，盡管這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單且可靠性高，但電壓源的數(shù)量被限制為2個(gè)，不能將這種拓?fù)鋽U(kuò)展到多輸入源。

同時(shí)，由于各種基本DC/DC變換器升壓能力不足，高增益DC/DC變換器的應(yīng)用也越來越廣泛。文獻(xiàn)[10]中傳統(tǒng)的二次型DC/DC升壓變換器可以獲得較高的電壓增益，但在輸出側(cè)功率半導(dǎo)體上的電壓應(yīng)力與輸出電壓相當(dāng)。文獻(xiàn)[11-12]中引入的開關(guān)電容配置能夠獲得高電壓增益，但不能實(shí)現(xiàn)靈活的電壓調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[13]采用耦合電感進(jìn)一步提高了變換器的電壓轉(zhuǎn)換比。在文獻(xiàn)[14-15]中提出了基于開關(guān)電容器的有源網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，功率半導(dǎo)體上的電壓應(yīng)力可以減少一半，但由于電路的漏感，電源開關(guān)可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大的電壓尖峰。本文提出了一種多輸入高增益DC/DC變換器，可用于多種混合可再生電力系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)如下。

a.該拓?fù)溥m用于較寬的功率級，可以容納任意數(shù)量的輸入源。

b.該變換器中的電源可以在1個(gè)開關(guān)周期內(nèi)獨(dú)立或同時(shí)向負(fù)載提供能量，其中1個(gè)電源發(fā)生故障電路仍能正常工作。

c.該拓?fù)溥M(jìn)行了優(yōu)化，具有高增益的特點(diǎn)。

1 變換器拓?fù)浜凸ぷ髟?/h2>

變換器拓?fù)淙鐖D1所示。圖1(a)由n個(gè)輸入單元、2個(gè)電感、5個(gè)電容和5個(gè)二極管組成。每個(gè)輸入單元包含1個(gè)直流源、1個(gè)開關(guān)管和1個(gè)二極管，輸入單元的個(gè)數(shù)可以根據(jù)實(shí)際情況和需求進(jìn)行調(diào)整。為了簡化分析過程，接下來對含2個(gè)輸入單元的變換器進(jìn)行分析。如圖1(b)所示，uin為輸入端電壓，uL1、uL2為電感L1、L2的電壓，uC1、uC2、uC3、uC4、uC5為電容C1、C2、C3、C4、C5的電壓。做以下假設(shè)。

a.電感值大到足以使流過它們的電流保持恒定。

b.所有開關(guān)器件都被認(rèn)為是理想的，忽略了電路和器件寄生參數(shù)的影響。

c.輸出端電容足夠大，輸出電壓恒定。

假定電感L1和L2相等，u1=u2=uin，開關(guān)S1、S2始終閉合，二極管D1、D2反向截止。所提變換器的主要波形如圖2所示，K為占空比。經(jīng)分析，該變換器在1個(gè)周期內(nèi)的具體工作流程如下。

a.模態(tài)1[t0-t1]。等效電路如圖3所示，該模態(tài)中，開關(guān)S3、S4閉合，二極管D3、D4、D5、D7均關(guān)斷，二極管D6導(dǎo)通。電感電流iL1、iL2線性上升，L1由直流電源u1、u2充電，L2由電容C1、C2串聯(lián)充電，電容C3由電容C2、C4串聯(lián)充電。在此模態(tài)下，電容C1、C2、C4放電，電容C3充電。得到電感電壓方程。

(1)

b.模態(tài)2[t1-t2]。等效電路如圖4所示，該模態(tài)中，開關(guān)S3、S4關(guān)斷，二極管D3、D4、D5、D7均導(dǎo)通，二極管D6關(guān)斷。電容C1、C2由直流電源和電感L1并聯(lián)充電，電容C4由直流電源和L1、L2串聯(lián)充電，電容C4、C5由直流電源和L1、L2、C3充電。在此模態(tài)下，電感L1、L2及電容C3放電，電容C1、C2、C4、C5充電。得到電感電壓方程。

(2)

2 性能特點(diǎn)

2.1 輸入-輸出電壓增益

分析含2個(gè)輸入單元的變換器，根據(jù)電感L1、L2的伏秒平衡原理，可得:

(3)

進(jìn)而得到含2個(gè)輸入單元變換器的輸入-輸出電壓增益比M。

(4)

由此推廣到含n個(gè)輸入單元時(shí)，電感L1、L2的伏秒平衡如下。

(5)

所以含n個(gè)輸入單元和的變換器輸入-輸出電壓增益M為

(6)

2.2 器件電壓應(yīng)力

如圖2所示，開關(guān)S3、S4的電壓應(yīng)力為uS3、uS4，二極管D1、D2、D3、D4、D5的電壓應(yīng)力分別為uD1、uD2、uD3、uD4、uD5，電容C1、C2、C3、C4、C5的電壓應(yīng)力分別為uC1、uC2、uC3、uC4、uC5，由式(3)可以得到:

(7)

(8)

(9)

2.3 器件電流應(yīng)力

根據(jù)電容C1、C2、C3、C4、C5的安秒平衡原理可得:

(10)

若忽略變換器損耗，且輸入功率等于輸出功率，可得：

(11)

3 仿真分析

3.1 仿真及參數(shù)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證理論分析，基于MATLAB/Simulink搭建了含2個(gè)輸入單元變換器拓?fù)涞姆抡婺Ｐ?，具體參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 主要參數(shù)設(shè)置

3.2 仿真結(jié)果分析

仿真波形如圖5所示。圖5(a)為開關(guān)管S3、S4的驅(qū)動(dòng)電壓波形和輸入輸出電壓波形，開關(guān)管S3、S4的占空比為0.42，開關(guān)管S1和S2始終閉合，仿真結(jié)果與理論分析一致。圖5(b)為二極管D1、D2、D3、D4、D5的電壓波形，與理論值uD1=uD2=69 V，uD3=uD4=uD5=238 V一致。圖5(c)和圖5(d)為電容C1、C2、C3、C4、C5的電壓波形。圖5(e)為電感L1、L2的電流波形，與理論結(jié)果一致?？梢钥闯稣伎毡容^小時(shí)就能獲得較高的增益，電路不用長時(shí)間工作在大電流的情況下，起到保護(hù)電路的作用。同時(shí)占空比可以進(jìn)行寬范圍的調(diào)節(jié)，以便于更好地調(diào)節(jié)增益比。

4 結(jié)語

通過理論計(jì)算得出主電路元器件參數(shù)，運(yùn)用MATLAB/Simulink仿真軟件搭建仿真模型，并根據(jù)以上仿真結(jié)果，可以看出仿真波形與理論分析值一致。

本文提出了一種新型的多輸入高增益DC/DC變換器，適用于各種輸入電壓的應(yīng)用，是一種很有前景的能源多樣化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該變換器中的所有電源都可以在1個(gè)開關(guān)周期內(nèi)同時(shí)或單獨(dú)向負(fù)載供電，當(dāng)某個(gè)輸入端發(fā)生故障時(shí)，電路仍能正常工作。同時(shí)輸入單元個(gè)數(shù)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，所提拓?fù)渚哂懈呖煽啃院透咴鲆娴奶攸c(diǎn)。本文對穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的電容電壓、電感電流、二極管電壓以及電壓增益進(jìn)行了研究，仿真結(jié)果對理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證。未來的工作將涉及控制、電源管理以及將多種可再生能源網(wǎng)格化，該拓?fù)湟材茉诨旌蟿?dòng)力汽車中得到廣泛應(yīng)用。