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        一種改進(jìn)二次型高增益Boost-Sepic變換器

        2022-12-16 01:49:46孫毓璞徐玉珍金濤
        電源學(xué)報(bào) 2022年6期
        關(guān)鍵詞:模態(tài)

        孫毓璞,徐玉珍,金濤

        (福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,福州 350108)

        在新能源發(fā)電系統(tǒng)中,光伏和燃料電池等產(chǎn)生的電壓遠(yuǎn)低于并網(wǎng)所需直流母線電壓。雖然多個(gè)光伏電池板串聯(lián)能夠達(dá)到并網(wǎng)電壓等級的要求,但是系統(tǒng)效率和可靠性降低、成本升高以及體積加大等問題隨之而來[1-2]。傳統(tǒng)升壓變換器由于電路寄生參數(shù)的影響,在實(shí)際應(yīng)用時(shí),升壓增益特性受限。因此,研究高電壓增益DC-DC變換器是實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電等低壓輸出新能源系統(tǒng)并網(wǎng)的有效途徑[3-4]。

        目前,對非隔離型變換器實(shí)現(xiàn)高增益主要有以下幾種方案:采用開關(guān)電容倍壓單元實(shí)現(xiàn)較高的電壓增益,并降低各單元的電壓應(yīng)力;但當(dāng)需要更高電壓增益時(shí),則需多個(gè)儲能單元串聯(lián),這不僅會帶來成本的增加,也會引起較大的電流尖峰,增加器件損耗[5-6]。文獻(xiàn)[7]介紹了一種引入耦合電感的辦法,通過改變匝比可獲得較高輸出電壓,但當(dāng)功率MOS 管關(guān)斷時(shí),耦合電感的漏感會引起電壓尖峰,影響效率的提高,且使功率MOS 管承受較大的電壓應(yīng)力。文獻(xiàn)[8-9]提出了基于開關(guān)電感單元高增益變換器,并利用磁集成技術(shù)和交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)減小電流紋波,但變換器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、控制困難且電壓增益提高有限。文獻(xiàn)[10-11]提出一種采用變換器級聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)高增益電壓,但由于功率MOS 管數(shù)量多,控制回路復(fù)雜。為了減少級聯(lián)變換器功率MOS 管數(shù)量,文獻(xiàn)[12-14]提出了單開關(guān)高增益級聯(lián)變換器,簡化了控制回路,然而當(dāng)輸出電壓較高時(shí),其功率MOS 管的電壓應(yīng)力也較大。文獻(xiàn)[15]提出一種低電感電流二次型Boost變換器,可減小電感上的電流,但使用了兩個(gè)功率MOS管,并且其中一個(gè)功率MOS 管的電壓應(yīng)力箝位于輸出電壓,輸出二極管的電壓應(yīng)力也大于輸出電壓。文獻(xiàn)[16-17]提出一種集成Boost-Sepic變換器,根據(jù)理論與仿真分析可知,該變換器可減小功率MOS 管和輸出二極管的電壓應(yīng)力,但是輸出電容的電壓應(yīng)力較高,系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間過長,增益提高有限,且缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文提出一種改進(jìn)二次型高增益Boost-Sepic 集成變換器,該變換器不僅具有輸入電流連續(xù)、功率器件電壓應(yīng)力低、控制電路簡單等特點(diǎn),還具有電壓增益大、系統(tǒng)穩(wěn)定速度較快等優(yōu)點(diǎn)。

        1 一種改進(jìn)二次型高增益Boost-Sepic變換器

        1.1 工作原理

        提出的改進(jìn)二次型高增益Boost-Sepic變換器如圖1 所示。為簡化分析,在改進(jìn)二次型高增益Boost-Sepic變換器中,假設(shè)所有元件都是理想的;所有電容器都足夠大,可實(shí)現(xiàn)恒壓。

        圖1 改進(jìn)二次型高增益Boost-Sepic變換器Fig.1 Improved quadratic high voltage gain Boost-Sepic converter

        變換器工作在CCM 模式下,主要工作波形如圖2 所示,變換器輸入電流連續(xù),且有三種工作模態(tài),各工作模態(tài)等效電路如圖3 所示。

        圖2 關(guān)鍵參量主要工作波形Fig.2 Main operating waveforms of key parameters

        圖3 各工作模態(tài)等效電路Fig.3 Equivalent circuit in each operating mode

        模態(tài)Ⅰ[t0,t1]:如圖3(a)所示,功率MOS 管S驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通時(shí),二極管D1關(guān)斷,D2導(dǎo)通。輸入電壓Vin給電感L1充電,電感L1的電流上升;電容C1給電感L2供電,電感L2的電流上升;電容C3電壓VC3大于電容C2電壓VC2,由電壓差VC3-VC2給電感L3充電,電感L3的電流上升。電感L1、L2和L3兩端電壓分別為

        模態(tài)Ⅱ[t1,t2]:如圖3(b)所示,當(dāng)功率MOS 管S關(guān)斷時(shí),二極管D2、D3關(guān)斷,D1導(dǎo)通。輸入電壓Vin和電感L1串聯(lián)向電容C1充電;輸入電壓Vin、電感L1、電感L2和電容C2串聯(lián)向負(fù)載供電;電感L3給C4充電。電感L1、L2和L3兩端電壓分別為

        模態(tài)Ⅲ[t2,t3]:如圖3(c)所示,功率MOS 管S繼續(xù)保持?jǐn)鄳B(tài),二極管D2關(guān)斷,D1、D3導(dǎo)通,輸入電壓Vin和電感L1串聯(lián)向電容C1充電;輸入電壓Vin、電感L1、電感L2和電容C2串聯(lián)向負(fù)載供電;輸入電壓Vin、電感L1和電感L2通過二極管D3向輸出電容C3充電;電感L3通過二極管Do向輸出電容C4供電。電感L1、L2和L3兩端電壓分別為

        在以上三種模態(tài)中,輸出電壓表達(dá)式均為

        1.2 電壓增益

        穩(wěn)態(tài)工作時(shí),在一個(gè)周期T中,根據(jù)伏秒平衡原理,電容C1、C2和C3兩端電壓分別為

        由式(5)可進(jìn)一步得電壓增益M為

        由式(6)可知,改進(jìn)二次型高增益Boost-Sepic變換器的電壓增益為傳統(tǒng)Sepic變換器的(1+D)/[D(1-D)]倍。

        1.3 功率器件電壓應(yīng)力

        根據(jù)圖3 中變換器中各半導(dǎo)體器件截止時(shí)的等效電路和式(5)、式(6)可知,功率MOS 管S、二極管D1、D2、D3和Do的電壓應(yīng)力為

        根據(jù)式(7)可知,半導(dǎo)體功率器件和電容的電壓應(yīng)力均低于輸出電壓Vo。

        2 對比研究

        該部分主要將各文獻(xiàn)中所提變換器與本文所提變換器進(jìn)行對比研究。其中,圖4為各變換器升壓特性曲線對比,表1為各變換器結(jié)構(gòu)與性能對比,可知本文所提改進(jìn)二次型Boost-Sepic變換器電壓增益較高,功率MOS 管數(shù)量少且電壓應(yīng)力較低,所以驅(qū)動(dòng)電路簡單,控制容易。圖4的升壓特性曲線進(jìn)一步說明,在任一占空比下,與其他變換器相比,改進(jìn)二次型Boost-Sepic變換器電壓增益均高于文獻(xiàn)中所提其他高增益變換器。此外,本文還針對所提變換器和文獻(xiàn)[16-17]中提出的變換器的系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間進(jìn)行了仿真比較,結(jié)果見表1。仿真結(jié)果表明,在相同的輸入條件下,本文所提變換器系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間要快于文獻(xiàn)[16-17]中提出的變換器。

        圖4 各變換器升壓特性曲線對比Fig.4 Step-up characteristic curves of each converter

        表1 變換器結(jié)構(gòu)與性能對比Tab.1 Comparison of structure and performance among different converters

        綜上所述,本文提出的改進(jìn)二次型高增益Boost-Sepic變換器具有共用一個(gè)功率MOS管,結(jié)構(gòu)簡單,電壓增益高,輸入電流連續(xù),功率器件和電容的電壓應(yīng)力小等特點(diǎn)。

        3 實(shí)驗(yàn)分析

        為驗(yàn)證改進(jìn)二次型Boost-Sepic變換器工作原理的理論分析,研制了一臺100 W 實(shí)驗(yàn)樣機(jī),其中輸入電壓為48 V,輸出電壓為400 V,工作頻率為50 kHz,占空比為0.57,電壓增益8.33。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖5 所示,實(shí)驗(yàn)樣機(jī)主要器件的型號和參數(shù)見表2。

        表2 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)主要器件的型號和參數(shù)Tab.2 Types and parameters of main devices of experimental prototype

        圖5 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig.5 Experimental prototype

        圖6 實(shí)驗(yàn)波形Fig.6 Experimental waveforms

        4 結(jié)論

        本文將二次型Boost變換器與改進(jìn)的Sepic變換器進(jìn)行集成,提出一種改進(jìn)二次型Boost-Sepic 升壓變換器,并研究了該變換器在CCM 模式下的工作原理及相關(guān)特性,最后搭建了輸入電壓為48 V,輸出電壓為400 V的100 W 樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,得到如下結(jié)論:

        (1)所提改進(jìn)二次型Boost-Sepic變換器具備高增益、輸入電流連續(xù)的特點(diǎn),其增益為傳統(tǒng)的Sepic變換器的(1+D)/[D(1-D)]倍。占空比為0.57時(shí),實(shí)驗(yàn)樣機(jī)增益達(dá)到8.33,與理論推導(dǎo)結(jié)果一致;

        (2)所提改進(jìn)二次型Boost-Sepic變換器具備功率MOS 管和各二極管上的電壓應(yīng)力小、效率高等特點(diǎn),理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明各功率器件上的電壓應(yīng)力均小于輸出電壓且實(shí)驗(yàn)樣機(jī)效率高達(dá)94.1%。

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