收稿日期：2021-11-22

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51477079）；山東省自然科學(xué)基金（ZR2020ME200）

通信作者：丁新平（1975—），男，博士、教授，主要從事電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分布式發(fā)電系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換電路及新型單級(jí)可升壓逆變電路方面

的研究。dxinping@126.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1423 文章編號(hào)：0254-0096（2023）05-0139-07

摘 要：提出一種集成倍壓電路的準(zhǔn)Z源軟開(kāi)關(guān)DC-DC變換器（qZS-SCSS）。通過(guò)同步整流技術(shù)，將阻抗網(wǎng)絡(luò)中的二極管替換為輔助開(kāi)關(guān)管Sa，不僅可降低了被替換二極管的導(dǎo)通損耗，而且可提供主開(kāi)關(guān)S的ZVS開(kāi)關(guān)特性；二極管在ZVZCS環(huán)境下運(yùn)行，能極大降低開(kāi)關(guān)損耗和反向恢復(fù)損耗；同時(shí)通過(guò)鉗位回路吸收耦合元件的漏感能量。變換器qZS-SCSS具有輸入電流連續(xù)、能滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓增益要求、輸入輸出共地、電壓增益高、效率高等優(yōu)點(diǎn)。分析和推導(dǎo)變換器的工作模態(tài)、電壓電流應(yīng)力、效率損耗和與其他變換器的對(duì)比，最后搭建輸出功率100 W樣機(jī)驗(yàn)證理論分析的正確性。

關(guān)鍵詞：軟開(kāi)關(guān)；光伏發(fā)電；效率；高增益；準(zhǔn)Z源

中圖分類(lèi)號(hào)：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

隨著碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)的提出，新能源開(kāi)發(fā)技術(shù)成為現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)。其中，太陽(yáng)能光伏技術(shù)因其環(huán)保、部署便捷等優(yōu)勢(shì)得到廣泛關(guān)注。在光伏發(fā)電技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，低壓輸入源（一般不超過(guò)50 V）與逆變器（所需母線電壓為380 V）之間需采用高升壓變換器作為接口，這種應(yīng)用需要有能提供高效率、高電壓增益并具有連續(xù)的輸入電流的變換器［1］。

為解決傳統(tǒng)升壓變換器在高升壓光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用中的局限性，已有文獻(xiàn)中引入了許多升壓技術(shù)，將耦合電感升壓技術(shù)應(yīng)用于Boost變換器實(shí)現(xiàn)了高升壓能力［2-4］，然而漏感增加導(dǎo)致功率損耗增大。開(kāi)關(guān)電容升壓技術(shù)可有效提高升壓能力［5-6］。交錯(cuò)技術(shù)也是常用的解決方案，它既能減小電流應(yīng)力又可使輸入電流連續(xù)［8-10］，然而多數(shù)量的組件提高了變換器的成本和繁雜性。但這些拓?fù)湓谟查_(kāi)關(guān)條件下運(yùn)行，開(kāi)關(guān)損耗大，拓?fù)湫蚀蟠蠼档汀?/p>

采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是克服開(kāi)關(guān)損耗、提高功率變換器效率和改善電磁環(huán)境的有效途徑［11-14］。準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅能提供輸入電流的連續(xù)和輸入輸出之間的共地，還擁有良好的升壓能力。文獻(xiàn)［14］提出一種反激式軟開(kāi)關(guān)高升壓比直流變換電路，但升壓因子還需進(jìn)一步提升。文獻(xiàn)［15］提出一種準(zhǔn)Z源結(jié)構(gòu)衍生拓?fù)涞母呱龎罕韧負(fù)?，但未考慮軟開(kāi)關(guān)，且將耦合電感的一次側(cè)用于輸入端，這將導(dǎo)致變換器效率低且輸入電流不連續(xù)。

高效率和高升壓比DC-DC拓?fù)洳粌H可為光伏并網(wǎng)結(jié)構(gòu)提高靈活性，還可增加光伏并網(wǎng)的系統(tǒng)效率。本文提出一種集成倍壓電路的準(zhǔn)Z源軟開(kāi)關(guān)DC-DC變換器（quasi-Z-source switched-capacitor soft-switching， qZS-SCSS），其原理如圖1所示。將準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)中的二極管替換為輔助開(kāi)關(guān)管[Sa，]不僅可降低被替換二極管的導(dǎo)通損耗，而且可提供主開(kāi)關(guān)S的ZVS開(kāi)關(guān)特性；二極管在ZVZCS環(huán)境下工作，能極大地降低開(kāi)關(guān)損耗和反向恢復(fù)損耗。變換器qZS-SCSS具有輸入電流連續(xù)、滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓增益要求、電壓增益高、軟開(kāi)關(guān)、效率高、輸入輸出共地等優(yōu)點(diǎn)。

1 qZS-SCSS工作模態(tài)

為簡(jiǎn)化qZS-SCSS電路分析，假設(shè)：1）輸入電感[L1]感值充足，使輸入電流[iin]連續(xù)，每個(gè)電容容值充足，且每個(gè)電容在單獨(dú)開(kāi)關(guān)周期的電壓是恒定的；2）除漏電感外，剩余元件均為理想狀態(tài)元件。漏感系數(shù)[k1=Lm/（Lm+L2ak）]，[k2=L2b/（L2b+L2bk）]，其中[Lm、L2b]分別為勵(lì)磁電感感量和耦合電感二次側(cè)感量，[L2ak、L2bk]分別為耦合元件一、二次側(cè)的漏感值。圖2為qZS-SCSS在一個(gè)周期內(nèi)的主要器件波形。單個(gè)周期可劃分成8個(gè)狀態(tài)，圖3為具體狀態(tài)電流流通圖。

模式1[[t0，t1]]：在[t0]時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管S2關(guān)閉。緩沖電容器的存在限制了Sa電壓的變化率，使其在ZVS條件下關(guān)閉。輸入電壓[Vg]、電容[C2]中的能量傳遞到電容C1和輸入電感[L1]。緩沖電容[C3]放電，[CSa]充電。當(dāng)[CS]電壓達(dá)到0的時(shí)刻，S的自身二極管電流流通，該模式結(jié)束。

模式2［[t1，t2]］：[t1]時(shí)刻S的D、S兩端電壓減小為0，其自身二極管電流流通，Sa的D、S兩端電壓被鉗位到VC1+VC2。電容C1充電，C2放電。二極管VD3開(kāi)始導(dǎo)通。該模式結(jié)束的標(biāo)識(shí)為S的自身二極管流通電流降到0。

模式3［t2， t3］：由于S的自身二極管已經(jīng)流通，這時(shí)將導(dǎo)通信號(hào)施加給S的門(mén)極，使S能在ZVS下導(dǎo)通，而此時(shí)輔助開(kāi)關(guān)管Sa截至。C1和C2放電，C4充電，電容C3、C5分別依靠二極管VD1、VD3為耦合電感二次側(cè)提供能量。電流iLm由負(fù)值一直減小，跨越零后反向，逐漸增大為正。該模式持續(xù)到VD1和VD3的流通電流為0。

[VL1_ON=Vg+VC2，VLm_ON=k1VC1VL2b_ON=k2（-VC1-VC3）VC3+VC4=VC5，VL2b_ON=nVLm_ON] （1）

[IC1_ON=Iin-IS，" "IC2_ON=-IinIC3_ON=-IVD1，" "IC4_ON=IVD3IC5_ON=-IVD3，" "ICo_ON=-Io] （2）

模式4［t3， t4］：流過(guò)S的電流為iin和iLm之和。電容C1、C2放電，此模式持續(xù)到S關(guān)閉。

模式5［t4， t5］：在t4時(shí)，開(kāi)關(guān)管S關(guān)閉。因?yàn)殡娙萜鰿S、Csa的存在，使得S的電壓變化率被限制，使其在ZVS下關(guān)閉。輸入電壓Vg將能量提供給輸入電感L1，電容C1、C2放電。緩沖電容CS充電，CSa放電。該模式終止的標(biāo)識(shí)是緩沖電容CSa的電壓達(dá)到零。

模式6［t5， t6］：在t5時(shí)刻到來(lái)時(shí)，開(kāi)關(guān)管Sa的D、C端電壓減小到0，其體二極管流通，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管S的D、C端電壓被鉗位于VC1+VC2。由于Sa的體二極管已經(jīng)導(dǎo)通，Sa可在任意時(shí)刻ZVS導(dǎo)通，因此電流被迫通過(guò)MOSFET而不是其體二極管。這減少了開(kāi)關(guān)導(dǎo)通損耗，因?yàn)镸OSFET的ESR小于其體二極管。

模式7［t6， t7］：在t6時(shí)，二極管VD2、VDo在ZVZCS條件下開(kāi)始導(dǎo)通，在此模式下，開(kāi)關(guān)管S關(guān)斷，輔助開(kāi)關(guān)管Sa導(dǎo)通。電容C1一直充電。輸入電壓Vg和電容C4一起將能量傳遞到勵(lì)磁電感、耦合電感二次側(cè)L2b、輸入電感L1和負(fù)載端，電容C3、C5充電。勵(lì)磁電感把能量傳遞給電容C2為其充電，iLm一直減少直到0；此時(shí)，輸入電壓Vg和電容C2、C4一起將能量傳遞到輸入電感L1、耦合電感二次側(cè)L2b和負(fù)載端，勵(lì)磁電感中的能量為從電容器C2轉(zhuǎn)移得到，iLm反向增加。當(dāng)負(fù)向iLm的量值大于iin時(shí)，電流開(kāi)始反向流過(guò)Sa，為了確保緩沖電容在下一個(gè)循環(huán)中繼續(xù)充放電，必須使Sa的電流在關(guān)斷前為正。該模式結(jié)束的標(biāo)識(shí)為二極管VD2、VDo電流降為0，二極管在ZVZCS條件下關(guān)閉。

[VL1_OFF=Vg-VC1，" "VLm_OFF=-k1VC2VL2b_OFF=k2（VC2-VC5-VC3）VC1+VC3+VC4+VC5=VoVL2b_OFF=nVLm_OFF] （3）

[IC1_OFF=Iin-IVDo，" "IC2_OFF=ISa-IinIC3_OFF=IVD2，" "IC4_OFF=-IVDoIC5_OFF=IVD2，" "ICo_OFF=IVDo-Io] （4）

模式8［t7， t8］：流經(jīng)開(kāi)關(guān)管Sa的電流為iLm和iin之間的電流差。當(dāng)新的周期T到來(lái)時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管Sa再次被關(guān)閉，此模式結(jié)束。

為了簡(jiǎn)化分析，只考慮模式3和模式7。根據(jù)電感的伏秒平衡可得電壓增益為：

[B=VoVg=k2（3-D）+2k1nk2（1-2D）] （5）

qZS-SCSS在匝比n=2，系數(shù)k1、k2不同時(shí)占空比D和電壓增益B的關(guān)系如圖4所示。可看出，系數(shù)k1、k2對(duì)電壓增益的影響非常小，幾乎可忽略漏感系數(shù)帶來(lái)的影響。為了簡(jiǎn)化分析，令k1=k2=1，則理想的電壓增益為：

[B=3+2n-D1-2D] （6）

2 穩(wěn)態(tài)分析

2.1 電壓電流應(yīng)力

qZS-SCSS的電壓和電流應(yīng)力見(jiàn)表1。

2.2 效率分析

本節(jié)分析qZS-SCSS的功率損耗，包括由Pcond，S和PSW，S組成的開(kāi)關(guān)管損耗PS，Loss、由Pcond，VD和PSW，VD組成的二極管損耗PVD，Loss、由輸入電感和耦合元件組成的電感損耗PL，Loss以及電容損耗PC，Loss。寄生參數(shù)等效電路如圖5所示。

根據(jù)表2中的參數(shù)值，且rS=8 mΩ，ton+toff =41 ns+64 ns=105 ns，rL1=26.4 mΩ，rL2a=1 mΩ，rL2b=3 mΩ，VFD=0.69 V，rD=5 mΩ，tb=22 ns，rC1= 4 mΩ，rC2=2 mΩ，Irr1=7.6 A，rC3=rC4=rC5=rCo=9 mΩ。qZS-SCSS實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)功能，包括開(kāi)關(guān)管S、Sa的ZVS導(dǎo)通，部分ZCS關(guān)斷；二極管的ZVZCS導(dǎo)通和關(guān)斷。因此，損耗分析式中的ton=0，toff=32 ns；實(shí)現(xiàn)ZVZCS導(dǎo)通和關(guān)斷的二極管tb=0。結(jié)合文獻(xiàn)［7］的方法可得qZS-SCSS的損耗公式為：

[PLoss=PS，Loss+PVD，Loss+PL，Loss+PC，Loss" " " "=rS（B-1）2-D（1-2B）PoD（1-D）R+rL2b4PoD（1-D）R+" " " " " "toff′（B+D-1）fSPo6D（1-D）（3+2n-D）+rD2PoD（1-D）R+" " " " " "rL2aB（1-D）-32（1-D）+（BD+2）2DPoD（1-D）R+" " " " " "rC1B（1-D）-12+rC2B2D2PoD（1-D）R+4VFDPoVo+" " " " " "rC3+rC4+rC5+rCoD（1-D+D2）PoD（1-D）R+rL1B2PoR] （7）

則qZS-SCSS的效率為：

[η=PoPo+PLoss] （8）

圖6為qZS-SCSS軟開(kāi)關(guān)條件下的效率，可看出軟開(kāi)關(guān)提升了qZS-SCSS的效率。

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a. 效率隨占空比D的變化

3 對(duì) 比

將本文所提變換器與現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行對(duì)比并總結(jié)于表3。根據(jù)表3結(jié)果可知，qZS-SCSS具有升壓比高、軟開(kāi)關(guān)性能、連續(xù)輸入電流等優(yōu)點(diǎn)。圖7比較了n=2時(shí)各拓?fù)涞纳龎罕?，可得到相比于其他變換器，qZS-SCSS具有更高的電壓增益。在元器件總數(shù)相同的情況下，所提變換器不僅增益更高，而且可實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)性能，這將進(jìn)一步提高變換器的效率。

4 實(shí) 驗(yàn)

搭建輸出功率為100 W的樣機(jī)以求證理論分析的準(zhǔn)確性和qZS-SCSS的可行性。圖8為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)選取規(guī)格見(jiàn)表2。

圖9為qZS-SCSS的實(shí)驗(yàn)波形（Po=100 W）。圖9a為S的關(guān)鍵波形，圖9b為Sa的關(guān)鍵波形，可看到兩個(gè)開(kāi)關(guān)管均實(shí)現(xiàn)了ZVS導(dǎo)通，減小了開(kāi)關(guān)損耗，驗(yàn)證了理論分析。圖9c為qZS-SCSS二極管的電壓和電流波形，可看到二極管VD2、VDo實(shí)現(xiàn)了ZCS關(guān)斷，降低了qZS-SCSS二極管的反向恢復(fù)損耗。圖9d為輸出電壓Vo、輸入電壓Vg、耦合電感一次電流iN1、輸入電流iin的實(shí)驗(yàn)波形。

當(dāng)Vg=25 V時(shí)，qZS-SCSS在不同輸出功率下的測(cè)量效率曲線如圖10所示。由圖10可知，在額定功率100 W時(shí)，qZS-SCSS軟開(kāi)關(guān)條件下效率可達(dá)到95.51%。

5 結(jié) 論

本文提出一種集成倍壓電路的準(zhǔn)Z源軟開(kāi)關(guān)DC-DC變換器（qZS-SCSS）。變換器qZS-SCSS具有軟開(kāi)關(guān)性能、輸入電流連續(xù)、電壓增益高、輸入輸出共地、能滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓增益要求等優(yōu)點(diǎn)。用同步整流開(kāi)關(guān)代替二極管，實(shí)現(xiàn)了有源器件的軟開(kāi)關(guān)性能，同時(shí)通過(guò)鉗位回路吸收漏感能量。變換器qZS-SCSS與相同元器件數(shù)量的變換器相比，不僅提高了電壓增益，而且實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)進(jìn)而可以提升變換器的效率。

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STEADY STUDY ON QUASI-Z-SOURCE SOFT-SWITCHING

CONVERTER WITH INTEGRATED DOUBLED CIRCUIT

Wang Fenglian1，Zhou Mingzhu1，Cao Yichang1，Wei Zhengyi1，Ding Xinping2

（1. School of Information and Control Engineering， Qingdao University of Technology， Qingdao 266520， China；

2. School of Automation， Nanjing University of Information Science amp; Technology， Nanjing 210044， China）

Abstract：A quasi-Z-source soft-switching converter （qZS-SCSS） with integrated doubled circuit is presented. In qZS-SCSS converter， a technique of the synchronous rectifier is applied such that the diode of the impedance network is replaced with an auxiliary switch tube Sa. In this way， not only is conduction loss associated with the diode reduced but also zero-voltage-switching characteristics for main switches are provided. Also， diodes of qZS-SCSS converter are switched under zero-voltage-zero-current-switching condition which extremely reduces their switching and reverse recovery losses. At the same time， the leakage energy of the coupled element is absorbed through the clamp circuit. Converter of the qZS-SCSS has the advantages of continuous input current， common ground between the input and output ends， applicability to voltage gain requirements of photovoltaic power generation systems， high voltage gain and high efficiency. Operating principles of qZS-SCSS along with its steady-state analysis are presented. Finally， a prototype with an output power of 100 W was built to verify the correctness of theoretical analysis.

Keywords：soft-switching； photovoltaic power； efficiency； high voltage gain； quasi-Z-source