基于開關(guān)電感的有源網(wǎng)絡(luò)升壓變換器的研究

王挺湯雨

（南京航空航天大學(xué)江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210016）

1 引言

由于石油、煤炭、天然氣等化石能源的不斷使用，不可再生能源面臨枯竭，并且化石能源的使用產(chǎn)生了大量的廢氣，對環(huán)境造成了巨大的破壞。面對來自資源和環(huán)境的雙重壓力，光伏并網(wǎng)發(fā)電因其清潔環(huán)保，取之不盡用之不竭的優(yōu)點(diǎn)而受到越來越多的關(guān)注，有著不可估量的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

常見的光伏并網(wǎng)方式有集中式逆變和串式/多串式逆變，整個(gè)系統(tǒng)存在大量的光伏電池的串并聯(lián)。由于光伏電池工作在戶外，在長期的工作中難免會被樹葉等污垢遮擋造成局部陰影，還有可能由于光伏電池本身的制造工藝問題，引發(fā)熱斑現(xiàn)象，造成光伏電池的不可逆損壞[1]。新型分布式光伏并網(wǎng)逆變結(jié)構(gòu)為每塊光伏電池配備了一個(gè)微逆變器[2]，該結(jié)構(gòu)可以有效地解決傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)逆變器存在的這些問題。該微逆變器電路結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]，此微逆變器由兩部分組成，前級DC-DC模塊實(shí)現(xiàn)光伏電池輸出電壓等級的提升用以滿足后級逆變的需要，并且跟蹤光伏電池的最大輸出功率點(diǎn)以獲得最大功率。后級DC-AC模塊實(shí)現(xiàn)并入電網(wǎng)的功能。

圖1 微逆變器功能框圖Fig.1 The functional block diagram of the micro-inverter

由于單體光伏電池的輸出電壓較低，尋找到一個(gè)合適的DC-DC變換器，用以將光伏電池有限的輸出電壓抬升到能夠滿足后級逆變需要的等級，是一個(gè)急需解決的問題。常見的推挽，全橋等隔離式DC-DC變換器拓?fù)溆捎谝肓烁哳l變壓器，無論是在系統(tǒng)體積還是在變換效率上都較非隔離DC-DC變換器存在不足[4]，因此非隔離型高增益DC-DC變換器成為了人們研究的熱點(diǎn)。

眾多文獻(xiàn)研究了隔離型的高增益DC-DC變換器[5-20]。文獻(xiàn)[5]提出了用多個(gè)Boost變換器級聯(lián)的方式以獲得較高的增益，系統(tǒng)的增益由各級Boost變換器的增益相乘而得，但經(jīng)多級變換，系統(tǒng)的效率會變差，而且還存在級聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。文獻(xiàn)[6]提出了采用耦合電感和電荷泵的方案，實(shí)現(xiàn)較大的電壓增益。但是隨著變換器升壓比的提高，電感匝數(shù)比也會隨之提高，電感較難耦合。由此帶來的漏感會造成較大的關(guān)斷電壓尖峰，增大器件的電壓應(yīng)力，還會降低變換器的效率。文獻(xiàn)[8]通過在Boost電路中引入開關(guān)電感的方式，實(shí)現(xiàn)電壓高增益，文獻(xiàn)[9]提出了耦合電感加開關(guān)電容實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)并聯(lián)的Boost變換器，但是這兩種方案的電壓增益仍然都很有限，并不適合用作微逆變器的前級DC-DC升壓電路。文獻(xiàn)[11]采用了Boost多電平的方案，但聯(lián)系到實(shí)際應(yīng)用場合，需要用到較多的電平數(shù)，大量的電容會增加拓?fù)涞膹?fù)雜性。

本文提出了一種基于開關(guān)電感的有源網(wǎng)絡(luò)升壓變換器。該變換具有較高的電壓增益，較低的功率器件的電壓應(yīng)力。文章首先分析了該變換器的工作原理以及輸入輸出特性，然后討論了其電壓增益及功率器件的電壓應(yīng)力，最后通過200W的樣機(jī)對理論分析進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 變換器拓?fù)浞治?/h2>

2.1 電路拓?fù)涓攀?/h3>

如圖2所示，本文中所運(yùn)用的有源網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)電感L1、L2和兩個(gè)開關(guān)管S1、S2按照圖中的連接方式組合而成。

圖2 有源網(wǎng)絡(luò)Fig.2 The active network

如果將圖2有源網(wǎng)絡(luò)中的電感L1、L2替換為開關(guān)電感單元[8]，得到如圖3所示的基于開關(guān)電感的有源網(wǎng)絡(luò)升壓變換器，則可以大幅度地提升變換器的電壓增益，并且該變換器的兩個(gè)開關(guān)管S1、S2開關(guān)信號一致，易于控制，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為簡單。

圖3 基于開關(guān)電感的有源網(wǎng)絡(luò)升壓變換器Fig.3 Active network DC-DC Boost Converter Based onSwitched-inductor

2.2 工作模態(tài)分析

圖4為CCM和DCM模式下電路中一些器件的電壓、電流波形。本文所提出的基于開關(guān)電感的有源網(wǎng)絡(luò)升壓變換器在CCM模式下的工作原理和穩(wěn)態(tài)分析如圖4所示。

圖4 CCM模式和DCM模式下的一些主要波形Fig.4 Some typical waveforms of the proposed converterfor CCM and DCM modes

（1）模態(tài)1[t0,t1]。在此階段中，開關(guān)管S1、S2導(dǎo)通，電路中的電流流向如圖5a所示，4個(gè)相同大小的電感L1、L2、L3和L4被并聯(lián)充電，負(fù)載側(cè)所需的能量由電容C提供。此時(shí)加載在電感L1、L2、L3和L4上的電壓為

（2）模態(tài)2[t1,t2]。在此階段中，開關(guān)管S1、S2斷開，電路中的電流流向如圖5b所示，L1、L2、L3、L4串聯(lián)放電，電容C被充電。根據(jù)KVL，此時(shí)加載在電感L1、L2、L3、L4上的電壓為

圖5 不同工作模態(tài)下變換器的等效電路Fig.5 The equivalent circuit of the converterin different operation modes

化簡式（3），得出拓?fù)涞碾妷涸鲆姹磉_(dá)式為

電路在DCM下有三種工作模態(tài)，其電流通路如圖5所示，其工作原理與CCM模式下相類似，因而DCM模式下的穩(wěn)態(tài)分析便不再贅述。這里給出DCM模式下，電路的增益表達(dá)式為

2.3 變換器的外特性

開關(guān)管S1、S2導(dǎo)通時(shí)，輸入電流iin可表示為

開關(guān)管S1、S2斷開時(shí)，輸入電流可表示為

所以CCM模式下，輸入電流的平均值Iin可表示為

由式（4）可得

將式（9）代入式（8）得CCM模式下電感電流IL

由式（10）可知，在臨界狀態(tài)下，負(fù)載臨界電流IoG是0.5，所以有

電感電流臨界連續(xù)工作時(shí)，式（4）仍然成立，因此，式（11）可表達(dá)為

變換器的外特性如圖6所示。

圖6 變換器的外特性Fig.6 The boundary condition of the converter

圖6中橫坐標(biāo)為負(fù)載電流Io和負(fù)載臨界電流IoG的最大值IoGmax之比，而縱坐標(biāo)為輸出電壓Uo和輸入電壓Uin之比（即變換器的變比G），圖中的8條曲線代表了占空比D從0.1、0.2依次遞增到0.8時(shí)變換器的外特性曲線。而虛線則為CCM模式和DCM模式的分界線，虛線左側(cè)為DCM工作狀態(tài)，虛線右側(cè)圍CCM工作狀態(tài)。

3 與其他高增益電路的比較

本文所提出的基于開關(guān)電感的有源網(wǎng)絡(luò)升壓變換器相對于傳統(tǒng)的高增益 DC-DC變換器在開關(guān)管的電壓應(yīng)力上具有很大的優(yōu)勢。而且，相對于傳統(tǒng)的高增益DC-DC變換器，本文所提出的變換器的電壓增益更高，因而通過電感、二極管、開關(guān)管的電流峰值也較小，有利于降低損耗。

3.1 拓?fù)涞碾妷涸鲆?/h3>

圖7所示為本文所提出的電路拓?fù)浜推渌幌盗懈咴鲆鍰C-DC變換器的載CCM工作模式下增益曲線的比較。

圖7 一系列變換器的增益曲線Fig.7 The voltage gain versus duty ratiofor the converters

顯然本文所提出的基于開關(guān)電感的有源網(wǎng)絡(luò)升壓變換器在電壓增益上也具有一定的優(yōu)勢。

3.2 功率器件的電壓應(yīng)力

表1為文章所提出的基于開關(guān)電感的有源網(wǎng)絡(luò)升壓變換器和其他文獻(xiàn)所提出的高增益DC-DC變換器的功率器件電壓應(yīng)力的對比。

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場合，變換器的工作條件為：輸入電壓Uin為20～40V，輸出電壓為200V，輸出功率為200W，工作頻率為50kHz。以此來分析變換器功率器件的電壓應(yīng)力。

從對比中可以發(fā)現(xiàn)，本文所提出變換器與其他一系列傳統(tǒng)的高增益DC-DC變換器相比具有較小的開關(guān)管電壓應(yīng)力。

表1 不同變換器開關(guān)管的電壓應(yīng)力Tab.1 The different voltage stresses of the switch correspond to different converters

3.3 電感電流

此外，減小電感電流平均值，可以有效地減小電感的體積，降低變換器的復(fù)雜程度。

圖8所示為CCM工作模式下，本文所提出變換器與Boost變換器的電感電流的對比，圖中的縱坐標(biāo)為電感電流平均值與輸出電流平均值之比，橫坐標(biāo)為變換器的輸入輸出電壓之比。可以發(fā)現(xiàn)，相對于傳統(tǒng)的Boost電路，基于開關(guān)電感的有源網(wǎng)絡(luò)升壓變換器有較小的電感電流平均值。這對降低電感體積有很好的效果。

圖8 電感電流平均值的對比Fig.8 A comparison of average current of different circuits

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，對基于開關(guān)電感的有源網(wǎng)絡(luò)升壓變換器在CCM工作模式下進(jìn)行了開環(huán)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)的條件為：輸入電壓Uin為20～40V，輸出電壓為200V，輸出功率為200W，工作頻率 50kHz。

圖9 變換器在輸入電壓為20V情況下的實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 Some typical experimental waveforms of theproposed converter when Uin=20V

變換器在20V輸入條件下的實(shí)驗(yàn)波形如圖9所示。其中，圖9a為輸入電壓Uin為20V條件下，占空比控制信號Ugs，MOS管的漏源電壓Uds1的波形，以及輸出二極管VDo的電壓波形。如圖9a所示，MOS管的漏源電壓Uds1與理論計(jì)算值110V相接近，輸出二極管VDo承受的反向壓降與理論計(jì)算值220V相近似。圖9b為輸入電壓Uin為20V條件下，占空比信號Ugs和電感電流iL1，iL2的波形。如圖9b所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，電感電流平均值與理論值3.25A相近。圖9c為輸入電壓Uin為20V實(shí)驗(yàn)條件下，占空比信號Ugs，二極管VD1a、VD1c所承受的反向電壓波形。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，VD1a所承受的反向電壓與理論計(jì)算值45V相接近，而VD1c所承受的反向電壓與理論計(jì)算值20V近似相等。

圖10為輸入電壓Uin為30V情況下的部分實(shí)驗(yàn)波形。其中，圖10a為30V輸入U(xiǎn)in下，占空比控制信號Ugs，MOS管的漏源電壓Uds1的波形，以及輸出二極管VDo的電壓波形。如圖10a所示，MOS管的漏源電壓與理論計(jì)算值115V相近，輸出二極管VDo承受的反向壓降與理論計(jì)算值230V相接近。圖10b為30V輸入U(xiǎn)in下，占空比信號Ugs，二極管VD1a，VD1c所承受的電壓波形。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，VD1a所承受的反向耐壓與理論計(jì)算值42.5V相接近，VD1c所承受的反向耐壓與理論計(jì)算值30V近似相等。

圖10 變換器在輸入電壓為30V情況下的實(shí)驗(yàn)波形Fig.10 Some typical experimental waveforms of theproposed converter when Uin=30V

表2為本文所提出的基于開關(guān)電感的有源網(wǎng)絡(luò)升壓變換器的電路參數(shù)的理論計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的對比，從表2的對比可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論推導(dǎo)相一致。

表2 電路的理論值和實(shí)驗(yàn)值對比Tab.2 A comparison of the calculated value and theexperimental value of the circuit

圖11為基于開關(guān)電感的有源網(wǎng)絡(luò)升壓變換器在輸入電壓分別為20～40V，輸出電壓200V，輸出功率200W情況下的效率曲線。

圖11 變換器在不同輸入電壓下的效率曲線Fig.11 The efficiency curve of the converter indifferent input voltages

5 結(jié)論

本文提出了一種基于開關(guān)電感的有源網(wǎng)絡(luò)升壓變換器，該變換器具有較高的電壓增益，較低的功率器件電壓應(yīng)力。文章詳細(xì)地分析了電路的工作原理，給出了系統(tǒng)的輸出特性曲線，討論了功率器件的電壓應(yīng)力。最后，根據(jù)所提出的變換器拓?fù)洌谱髁艘粋€(gè)200W的樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相一致。

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