孫瑄瑨 榮德生 王 寧

具有諧振軟開關(guān)的高增益耦合電感組合Boost-Zeta變換器

孫瑄瑨1榮德生1王 寧2

（1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院 葫蘆島 125105 2. 中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院 北京 100083）

該文提出一種適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的具有諧振軟開關(guān)的高增益耦合電感組合Boost-Zeta變換器。該變換器是由Boost變換器與Zeta變換器組合并引入有源鉗位支路和諧振耦合倍壓單元而得到。所提變換器利用拓?fù)浣M合和耦合倍壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)了非常高的電壓增益。利用有源鉗位支路，實(shí)現(xiàn)了所有開關(guān)管零電壓開通。同時(shí)，利用二次繞組與諧振電容諧振實(shí)現(xiàn)了所有二極管的零電流關(guān)斷，有效地解決了二極管反向恢復(fù)問題。分析變換器的工作原理，給出變換器的各項(xiàng)性能參數(shù)和軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)條件。所提變換器還可通過疊加倍壓單元進(jìn)一步提升電壓增益。最后，搭建一臺(tái)200 W實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證。

高增益 耦合電感 Boost-Zeta變換器 有源鉗位 諧振 零電壓軟開關(guān) 零電流軟開關(guān)

0 引言

隨著“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略的實(shí)施，綠色清潔環(huán)保能源成為能源發(fā)展的主流，在全面促進(jìn)低碳轉(zhuǎn)型方面至關(guān)重要[1]。為了提升能源利用率，分布式發(fā)電技術(shù)迅速發(fā)展[2]。在中小功率分布式光伏、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列和燃料電池輸出的電壓非常低，為了實(shí)現(xiàn)后級(jí)并網(wǎng)以及直流電網(wǎng)電壓所需的較高電壓，具有高升壓能力的DC-DC變換器作為電能轉(zhuǎn)換的核心必不可少，其性能的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行[3-4]。

傳統(tǒng)升壓DC-DC變換器（如Boost、Buck-Boost、Cuk、Zeta、Sepic等）由于升壓能力不足，在極限占空比下會(huì)導(dǎo)致較大的器件電壓電流應(yīng)力、較大的開關(guān)損耗和二極管反向恢復(fù)等問題，無法滿足高升壓場(chǎng)合應(yīng)用，因此國內(nèi)外學(xué)者提出多種高增益方 案[5-6]。文獻(xiàn)[7-8]提出采用開關(guān)電感單元提升變換器的電壓增益，利用開關(guān)電感結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)電感并聯(lián)充電、串聯(lián)放電實(shí)現(xiàn)增益的提升。但是開關(guān)電感結(jié)構(gòu)只能提升電壓增益，為有效地減小開關(guān)管電壓應(yīng)力，在文獻(xiàn)[9-10]中提出有源開關(guān)電感結(jié)構(gòu)，既可實(shí)現(xiàn)電壓增益的提升，還可降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力。文獻(xiàn)[11-13]中提出具有開關(guān)電容的變換器，利用開關(guān)電容結(jié)構(gòu)可獲得更高的電壓增益。開關(guān)電感和開關(guān)電容還可組合應(yīng)用[14-15]。但是由于實(shí)際應(yīng)用中相同型號(hào)元器件存在誤差，開關(guān)電感結(jié)構(gòu)會(huì)存在不均流現(xiàn)象，而開關(guān)電容結(jié)構(gòu)則會(huì)產(chǎn)生較大的電流沖擊，影響變換器的效率。同時(shí)，多個(gè)開關(guān)電感/電容結(jié)構(gòu)會(huì)增加變換器的成本。由于耦合倍壓技術(shù)可通過調(diào)節(jié)耦合電感的匝比靈活調(diào)節(jié)電壓增益而無需過多元器件，因此該技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用[16-17]。但是由于耦合電感存在漏感，其會(huì)與開關(guān)管的寄生電容產(chǎn)生諧振，開關(guān)管在關(guān)斷瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的電壓沖擊。因此，在文獻(xiàn)[18-20]中采用無源鉗位支路吸收漏感能量，有效地減小了開關(guān)管的電壓應(yīng)力，同時(shí)利用漏感還可實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電流軟開關(guān)（Zero Current Switching, ZCS）開通。文獻(xiàn)[21-24]中采用有源鉗位支路吸收漏感能量，同時(shí)還可利用漏感實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓軟開關(guān)（Zero Voltage Switching, ZVS）開通。但是上述變換器中的二極管的反向恢復(fù)問題依舊存在。文獻(xiàn)[25]在雙管諧振變換器基礎(chǔ)上提出具有諧振軟開關(guān)的耦合電感高增益變換器，利用諧振的方式，實(shí)現(xiàn)了主電路二極管的自關(guān)斷，有效地降低了二極管反向恢復(fù)損耗，但是耦合電感單元中二極管的反向恢復(fù)問題依舊存在。文獻(xiàn)[26-28]采用諧振方式可實(shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍軟開關(guān)，但諧振變換器一般應(yīng)用于降壓場(chǎng)合。

由于多數(shù)高增益方案采用的元器件數(shù)量較多，存在硬開關(guān)以及二極管反向恢復(fù)較大等問題，難以滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)中所需高效率低成本的需求。因此，本文采用拓?fù)浣M合技術(shù)、耦合倍壓技術(shù)以及諧振軟開關(guān)技術(shù)相結(jié)合。利用拓?fù)浣M合技術(shù)，將Boost變換器和Zeta變換器組合，提出一種Boost-Zeta變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在此拓?fù)涞幕A(chǔ)上，引入耦合諧振倍壓單元和有源鉗位支路，提出的變換器在具有較高電壓增益的同時(shí)，利用有源鉗位實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管的ZVS開通。利用耦合諧振倍壓單元實(shí)現(xiàn)所有二極管的諧振ZCS關(guān)斷，并且諧振周期不影響電壓增益，變換器僅有占空比一個(gè)控制變量，控制方式簡單。所提變換器還可通過疊加倍壓單元進(jìn)一步提升電壓增益，給出拓?fù)鋽U(kuò)展的一般規(guī)律。最后，制作了一臺(tái)200 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

1 所提變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作模態(tài)分析

1.1 所提變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

利用拓?fù)浣M合的思想，在傳統(tǒng)Boost變換器的基礎(chǔ)上，通過與Zeta變換器在輸入端并聯(lián)、輸出端串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)兩種傳統(tǒng)變換器的拓?fù)浣M合。為進(jìn)一步提升功率密度，可將相同的前級(jí)儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)合并，得到一種組合Boost-Zeta變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1a所示。為了進(jìn)一步提升組合Boost-Zeta變換器的電壓增益，改善原拓?fù)涞挠查_關(guān)特性，將原拓?fù)渲械亩O管VD2替換為輔助開關(guān)管S2與電容2組成有源鉗位支路，開關(guān)管S2與S1互補(bǔ)導(dǎo)通。同時(shí)，引入耦合電感倍壓技術(shù)，將儲(chǔ)能電感作為耦合電感的一次繞組p、二次繞組s與諧振電容r、二極管VD2組成諧振耦合電感倍壓單元（Resonance Coupled-Inductor Voltage Multiplier Cell, RCI- VMC）串聯(lián)至二極管VD1支路中，得到所提變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1b所示。

1.2 所提變換器工作模態(tài)分析

所提變換器等效電路如圖2所示。耦合電感結(jié)構(gòu)可由漏感k、勵(lì)磁電感m、耦合電感匝比=s/p的理想變壓器組成。開關(guān)管S1和S2由理想開關(guān)并聯(lián)體二極管、寄生電容組成。

在對(duì)所提變換器進(jìn)行分析前，做如下幾點(diǎn)假設(shè)：

（1）所有二極管均為理想器件，即導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間均為0，關(guān)斷電阻為無限大，忽略導(dǎo)通壓降。

（2）所有電容均為理想元件，且電容1和2足夠大，其紋波電壓和寄生參數(shù)可以忽略。電容r為諧振電容，其最大電壓為Vrmax，最小電壓為Vrmin。

在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，變換器共存在八種工作模態(tài)，圖3為所提變換器主要波形。各個(gè)工作模態(tài)的等效電路如圖4所示。

圖2 所提變換器等效電路

圖3 所提變換器主要波形

圖4 所提變換器工作模態(tài)

模態(tài)Ⅷ[7,8]：在7時(shí)刻，所有二極管關(guān)斷。一次側(cè)p持續(xù)給電容2充電，電流im線性下降。輸出電感o持續(xù)向負(fù)載放電，電流io線性下降。至8時(shí)刻，開關(guān)管S2關(guān)斷，一個(gè)開關(guān)周期結(jié)束。

2 所提變換器穩(wěn)態(tài)性能分析

2.1 電壓增益

耦合電感的耦合系數(shù)可表示為

為了便于穩(wěn)態(tài)分析，可忽略較短的死區(qū)時(shí)間。根據(jù)電容1、2和r的安秒平衡原理，得到二極管VD1和VD2的平均電流等于輸出電流o，結(jié)合式（1）、式（3），有

根據(jù)式（6）、式（7），得到電容Vr的電壓最小值和最大值表達(dá)式分別為

根據(jù)勵(lì)磁電感m在一個(gè)周期內(nèi)的伏秒平衡原理，有

其中

式中，為占空比。

求解式（10），得到電容2的電壓表達(dá)式為

根據(jù)模態(tài)Ⅲ，有

結(jié)合式（8）、式（9）和式（11），得到電容1的電壓表達(dá)式為

根據(jù)輸出電感o在一個(gè)周期內(nèi)的伏秒平衡原理，有

結(jié)合式（11）和式（13），得到所提變換器的電壓增益表達(dá)式為

根據(jù)式（15），給出電壓增益G在不同匝比n和耦合系數(shù)k下的變化曲線，如圖5所示?？梢钥闯?，電壓增益G隨著匝比n的增大而增大，但是隨著耦合系數(shù)k的減小，電壓增益也會(huì)有所減小，故在實(shí)際中應(yīng)盡量使得兩個(gè)耦合電感正向全耦合以減小漏感影響。

當(dāng)=1時(shí)，所提變換器的電壓增益表達(dá)式為

2.2 電壓應(yīng)力

根據(jù)所提變換器的穩(wěn)態(tài)分析，開關(guān)管S1和S2的電壓應(yīng)力表達(dá)式為

二極管VD1和VD2的電壓應(yīng)力表達(dá)式為

各個(gè)開關(guān)器件的電壓應(yīng)力僅與匝比的取值有關(guān)。根據(jù)式（17）和式（18），可分別繪制出開關(guān)管和二極管的電壓應(yīng)力變化曲線，如圖6所示?？梢钥闯?，開關(guān)管S1和S2的電壓應(yīng)力隨著匝比的增加而減小。而二極管VD1和VD2的電壓應(yīng)力隨著匝比的增加而增加，但仍小于輸出電壓。故在實(shí)際中，應(yīng)考慮開關(guān)器件的最大電壓應(yīng)力選擇合適的 匝比。

圖6 器件電壓應(yīng)力與匝比的關(guān)系

2.3 電流應(yīng)力

根據(jù)各個(gè)電容在一個(gè)周期內(nèi)的安秒平衡原理，得到勵(lì)磁電感m和輸出電感o的平均電流表達(dá)式分別為

假設(shè)勵(lì)磁電感m和輸出電感o的電流紋波分別為Dim和Dio，可表示為

根據(jù)穩(wěn)態(tài)工作分析，開關(guān)管S1和S2的最大電流應(yīng)力表達(dá)式為

二極管VD1和VD2的最大電流應(yīng)力分別為

二極管VD1和VD2的電流有效值表達(dá)式為

2.4 軟開關(guān)條件

2.4.1 ZVS條件

所提變換器中的開關(guān)管S1和S2可通過ZVS開通降低開關(guān)損耗。根據(jù)穩(wěn)態(tài)分析，開關(guān)管S2在驅(qū)動(dòng)信號(hào)到來之前，其并聯(lián)二極管總是開通。因此，開關(guān)管S2的ZVS開通總能實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)開關(guān)管S1的ZVS開通，需要滿足如下兩個(gè)條件：①開關(guān)管S1電流應(yīng)滿足S1(0)＜0，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)到來之前，體二極管導(dǎo)通。②開關(guān)管S2在關(guān)斷時(shí)，電感中的能量要大于寄生電容中存儲(chǔ)的能量。

根據(jù)條件①，有

根據(jù)式（27），勵(lì)磁電感和輸出電感應(yīng)滿足條件

根據(jù)條件①，有

其中

式中，p1和p2分別為開關(guān)管S1和S2的寄生電容，電容p1和p2非常小，因此式（29）的條件易于 實(shí)現(xiàn)。

2.4.2 ZCS條件

為實(shí)現(xiàn)二極管VD1和VD2的ZCS關(guān)斷，即二次側(cè)支路要實(shí)現(xiàn)完整的諧振，故漏感k與電容r諧振的半個(gè)周期需小于(1-)，即

根據(jù)式（30），諧振電容r應(yīng)滿足條件

故實(shí)際設(shè)計(jì)中，可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，確定最大占空比，進(jìn)而根據(jù)漏感確定諧振電容r的大小。

3 所提變換器的結(jié)構(gòu)擴(kuò)展和性能對(duì)比

3.1 所提變換器結(jié)構(gòu)擴(kuò)展

本文所提變換器不僅可以通過改變?cè)驯忍嵘妷涸鲆?，還可通過疊加多個(gè)諧振耦合電感倍壓單元（RCI-VMC）對(duì)所提變換器結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步拓展。所提變換器的拓?fù)渫卣菇Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 所提變換器的一般結(jié)構(gòu)

具有個(gè)RCI-VMC單元的電壓增益和開關(guān)管電壓應(yīng)力分別表示為

可以看出，RCI-VMC單元使得所提變換器實(shí)現(xiàn)了更高的電壓增益，同時(shí)開關(guān)管的電壓應(yīng)力也會(huì)隨之減小。但是，疊加過多單元會(huì)增添較多功率器件，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)考慮應(yīng)用場(chǎng)合選擇合適的匝比及疊加單元的結(jié)構(gòu)和個(gè)數(shù)。

3.2 性能對(duì)比

將本文所提變換器和近些年提出的不同倍壓技術(shù)的高增益變換器進(jìn)行對(duì)比，各項(xiàng)性能參數(shù)對(duì)比見表1?？梢钥闯?，相較于文獻(xiàn)[13, 20]提出的變換器，本文所提變換器具有更高的電壓增益和更低的電壓應(yīng)力。所提變換器與文獻(xiàn)[25]具有相同的增益與電壓應(yīng)力，雖然二極管的最大電壓應(yīng)力相比文獻(xiàn)[25]略大，但是所用的開關(guān)器件數(shù)量更少。同時(shí)，對(duì)比效率及二極管損耗，所提變換器通過諧振實(shí)現(xiàn)了非常小二極管反向恢復(fù)，具有更低的二極管損耗。因此，本文所提變換器在器件軟開關(guān)和成本方面具有優(yōu)勢(shì)，更適合于中小功率場(chǎng)合下的低成本應(yīng)用。

表1 性能對(duì)比

Tab.1 Performance comparison

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提變換器原理的正確性，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，制作一臺(tái)輸入24 V、輸出200 V、功率200 W、開關(guān)頻率為50 kHz的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，樣機(jī)基于全國生產(chǎn)器件設(shè)計(jì)，其關(guān)鍵參數(shù)見表2。樣機(jī)測(cè)試平臺(tái)如圖8所示。

表2 樣機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

Tab.2 The key parameter of prototype

圖8 樣機(jī)測(cè)試平臺(tái)

圖9和圖10分別為樣機(jī)在24 V和32 V輸入時(shí)的主要電壓電流波形。根據(jù)圖9a和圖10a可以看出，耦合電感一次電流變化與理論相同，且所提變換器具有連續(xù)的輸出電流。圖9b和圖10b為諧振電容電壓和二次繞組電流的波形。可以看出，二次側(cè)支路實(shí)現(xiàn)了完整的諧振。根據(jù)圖9c～圖9f和圖10c～圖10f，在200 V輸出情況下，開關(guān)管S1和S2的電壓應(yīng)力均相同，約為54 V，具有非常低的電壓應(yīng)力。且在不同輸入電壓情況下，兩開關(guān)管均實(shí)現(xiàn)了ZVS開通。圖9g和圖10g為二極管VD1和VD2電壓電流波形。可以看出，二極管VD1和VD2的最大電壓應(yīng)力相同，約為145 V。同時(shí)，二極管VD1和VD2的電流在關(guān)斷之前諧振到零，均實(shí)現(xiàn)ZCS關(guān)斷。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本與理論分析相同，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

圖9 主要實(shí)驗(yàn)波形（24 V輸入）

圖11a給出樣機(jī)在不同輸入電壓下的測(cè)試效率曲線?？梢钥闯?，在滿載200 W時(shí)，24 V輸入和32 V輸入的效率分別為96.9 %和97.1 %。隨著功率提升至250 W以后效率逐漸減小。圖11b給出滿載理論損耗分解?？梢钥闯?，損耗主要發(fā)生在開關(guān)管和電感中，隨著輸入電壓的提升，開關(guān)管和電感的損耗有所減小。故使用寄生參數(shù)更小，性能更好的器件可進(jìn)一步提升效率。

圖10 主要實(shí)驗(yàn)波形（32 V輸入）

圖11 樣機(jī)測(cè)試效率和損耗分解

5 結(jié)論

本文提出一種具有諧振軟開關(guān)的高增益耦合電感組合Boost-Zeta變換器，詳細(xì)分析了所提變換器的工作原理及各項(xiàng)性能參數(shù)，并給出了所提變換器的一般拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。搭建了一臺(tái)24 V輸入、200 V輸出、滿載200 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證理論分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提變換器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）利用拓?fù)浣M合和耦合倍壓技術(shù)相結(jié)合，所提變換器具有較高的電壓增益和較低的開關(guān)管電壓 應(yīng)力。

2）通過引入有源鉗位支路，所有開關(guān)管可實(shí)現(xiàn)ZVS開通，減少了開關(guān)損耗。

3）通過二次側(cè)倍壓支路的諧振，實(shí)現(xiàn)了所有二極管的ZCS關(guān)斷，最大程度上緩解了二極管的反向恢復(fù)問題。

4）所提變換器控制方式簡單，僅有占空比一個(gè)控制變量，諧振并不影響電壓增益。

5）所提變換器可通過疊加倍壓單元進(jìn)一步 拓展。

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High Step-Up Integrated Boost-Zeta Converter with Coupled Inductor and Resonant Soft-Switching

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（1. Faculty of Electrical and Control Engineering Liaoning Technical University Huludao 125105 China 2. School of Mechanical Electronic and Information Engineering China University of Mining and Technology Beijing 100083）

The output voltage generated by the photovoltaic array and fuel cell is very low, which needs to be boosted to a high DC-bus voltage for inverting or grid connection. In order to obtain a DC-DC converter with high step-up capability, various boosting techniques, such as switched inductor, switched capacitor, and cascade techniques, have been proposed. However, their related converters have a large number of components and work in a hard-switching model, resulting in increased cost and reduced efficiency. Therefore, a high step-up coupled inductor integrated Boost-Zeta converter with coupled inductor and resonant soft-switching for photovoltaic/fuel cell systems has been proposed. The proposed converter achieves higher voltage gain with fewer components. Meanwhile, the resonant soft switching technique reduces the switching losses.

Firstly, the integrated Boost-Zeta converter topology is obtained by integrating the Boost converter and the Zeta converter using the topology combination technique. The voltage gain of the Boost-Zeta converter is the sum of the Boost converter and the Zeta converter. At the same time, continuous input and output currents are obtianed. Then, based on this topology, a novel converter is proposed by replacing the diodes with switches. The proposed converter has a high voltage gain using a resonantly coupled inductor voltage multiplier cell. The zero voltage switching (ZVS) turn-on of all switches is achieved by active clamp branches, which reduces voltage stress and switching losses. Meanwhile, the zero current switching (ZVS) turn-off of all diodes is achieved by resonating the secondary winding with the resonant capacitor, effectively solving the diode reverse recovery problem. Thirdly, the operation principle of the converter is analyzed, and the performance parameters of the converter and the conditions of soft switching are given. Finally, the general topology of the proposed converter is given and compared with other converters proposed in the literature.

An experimental prototype with 24 V to 32 V input and 200 V-200 W output was built. It can be seen that the ZVS turn-on of both switches is achieved. The blocking voltages of the switches are around 54 V, much lower than the output voltage. The ZCS turn-off of diodes is realized through resonance between the leakage inductor and resonant capacitor, effectively reducing the reverse recovery loss. The voltage stress of diodes is around 145 V, also lower than the output voltage. The measured efficiency of the prototype at full load is 97.1 % (32 V input), demonstrating the better performance of the proposed converter.

The conclusions can be drawn as follows. (1) The proposed converter has higher voltage gain and lower switch voltage stress using the combination and coupling multiplier techniques. (2) All switches can achieve ZVS turn-on by the active clamp branch. (3) All diodes achieve ZCS shutdown by the resonance of the secondary winding multiplier branch, which effectively alleviates the reverse recovery problem of the diodes. (4) The control of the proposed converter is simple, and the resonance does not affect the voltage gain. (5) Adding multiple voltage cells can further expand the proposed converter. The proposed converter is suitable for high step-up applications such as PV power generation and fuel cell systems.

High step-up, coupled inductor, Boost-Zeta converter, active clamp, resonant, zero voltage switching, zero current switching

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.222293

TM46

遼寧省重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目（LJ2020ZD004）和遼寧省“興遼英才計(jì)劃”項(xiàng)目（XLYC1906014）資助。

2022-12-12

2023-01-09

孫瑄瑨 男，1993年生，博士研究生，研究方向電力電子及其磁集成技術(shù)。E-mail: sun_xuanjin@163.com

榮德生 男，1975年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楣?jié)能型電力電子技術(shù)。E-mail: rongdesheng0@163.com（通信作者）

（編輯 陳 誠）