基于二極管鉗位的新型高增益直流升壓變換器

陳 庚，董秀成，李浩然，代 莎，蔣林梟

（西華大學電氣與電子信息學院，成都 610039）

基于二極管鉗位的新型高增益直流升壓變換器

陳 庚，董秀成，李浩然，代 莎，蔣林梟

（西華大學電氣與電子信息學院，成都 610039）

針對兩級光伏并網發電系統中傳統BOOST電路功率器件電壓應力和電感電流較大，電壓增益不足等缺點，本文提出了一種新型的高增益直流升壓變換器。文中詳細介紹了該新型變換器的工作原理和其在電感電流連續及斷續條件下的3種工作模態，并通過推導給出了電壓增益及其外特性曲線。將一些常見的升壓電路在電壓增益、開關管電壓應力、電感電流應力等方面與本文方法進行了比較。最終通過搭建的輸出功率為200 W的實驗樣機，證明了理論分析的正確性。

直流變換器；高增益；有源網絡；二極管鉗位

Abstract:Considering the shortcomings of two-stage photovoltaic grid-connected power generation system，such as higher voltage stress and higher inductance current of power device in the traditional BOOST circuit and the insufficient voltage gain，a novel high-gain DC-DC BOOST converter is proposed in this paper.Its working principle and three opera?tion modes under the conditions of continuous/discontinuous inductance current are introduced，and the voltage gain and external characteristic curve are also given.Moreover，the proposed converter is compared with some traditional BOOST circuits from the aspects of voltage gain，voltage stress of the switch tubeand inductance current stress.Finally，an experimental prototype rated at 200 W was built，which verified the corresponding theoretic alanalysis．

Key words:DC-DC converter；high gain；active network；diode clamp

隨著社會的發展，全社會對能源的需求越來越大。但由于傳統化石能源的不可再生性，加之其大量燃燒對環境造成了嚴重的污染，因此加快了人們尋求新型、可再生、無污染能源的步伐。光伏并網發電由于其不受地理條件的限制，只要陽光充足的地方就可以安裝工作等優點，使其成為了諸多學者在新能源領域里研究的熱點。

傳統的光伏發電系統由光伏陣列并網單元等組成。在升壓直流電路中實現最大功率點跟蹤MPPT（maximum power point tracking），把升壓電路輸出的高壓直流電匯入直流母線中，再經過逆變電路實現光伏發電系統的并網。由于光伏電池模塊輸出電壓較低，一般在33～43 V之間，而全橋和半橋并網逆變器的直流母線輸入電壓通常為380 V或 760 V[1]，這就要求系統中直流升壓電路具有較高的電壓增益。雖然BOOST電路在理論上當占空比接近1時，其電壓增益可以無限大，但在實際應用中當BOOST電路占空比過大時，其輸入輸出電流紋波、電感電流紋波和開關管峰值電流都將變大，這些變化都會加大BOOST電路對元器件容量的要求和增加變換器的導通損耗。此時，傳統的BOOST電路就表現出了局限性[2-4]。現今，設計出一種在保證系統可靠性的前提下，擁有高增益、高效率、低損耗的升壓直流變換器，就成為了諸多學者研究的重要課題。

鑒于隔離型直流升壓變換器中引入了高頻變壓器后，會導致其在能量轉移效率和系統體積上較非隔離型升壓直流變換器上有很多的不足[5]，因此非隔離型變換器成為了現今研究的重點。雖然基于耦合電感設計的直流變換器實現了高增益，但因其漏感不可避免，以及隨著電感匝數比增加，開關管的電壓應力也相應增加，甚至其輸出二極管的電壓應力值會大大高于其輸出電壓值[6-7]。文獻[9-15]提出了在多種有源和無源網絡結構中，通過導通和關斷開關管來切換電路中電感、電容、二極管的連接方式去解決耦合電感直流升壓電路中開關管電壓應力過大和其關斷電壓尖峰等問題。但這些方法大多拓撲結構復雜、控制策略繁瑣，導致不能滿足光伏發電系統中直流升壓電路的要求。

針對光伏發電系統中要求直流升壓變換器體積較小、電壓增益較高、控制策略盡量簡單的要求，本文將一種有源網絡[16]與二極管正鉗位器相互組合變形設計，提出了一種基于二極管鉗位的非隔離型的新型高增益直流升壓變換器。本文詳盡地闡述了該變換器的各種工作模態并進行了詳細的公式推導，然后比較分析了其電壓增益、開關管電壓應力、電感電流應力等性能，最終通過制作的1臺200 W實驗樣機驗證了理論分析的正確性。

1 變換器拓撲分析

1.1 變換器結構描述

本文所提變換器電路見圖1。其中開關管S1和S2參數相同，采用相同脈沖寬度調制PWM（pulsewidth modulation）信號進行同步控制。

圖1 本文所提變換器電路Fig.1 Circuit of the proposed converter

1.2 工作模態分析

變換器在1個開關周期TS內最多有3種工作模態，其對應的3種開光狀態見表1。如變換器在電感電流連續模式CCM（continuous conduction mode）下運行時，其開關狀態在工作模態1、2之間循環切換；如在電感電流斷續模式DCM（discontinuous con?duction mode）下運行時，其開關狀態在工作模態1、2、3之間依次循環切換。

表1 開關狀態Tab.1 States of switches

圖2（a）和圖2（b）所示分別為電路在CCM模式和DCM模式下的一些元器件的電壓、電流波形。其中Ugs為開關管S1和S2的控制信號，和分別為流過電感器L1和L2的電流，和分別為電感器L1和L2兩端的電壓，和分別為加載在電容器C1和二極管D2兩端的電壓，ID1是流過二極管D1的電流。d1、d2分別為二極管導通和關斷的占空比。

圖2 本文所提變換器在CCM和DCM模式下的主要波形Fig.2 Main waveforms of the proposed converter in CCM and DCM

1.2.1 工作模態1

在時間[t0，t1]內，開關管S1、S2導通。電路工作在模態1下，其等效電路如圖3所示，其中虛線表示線路中電流為零。

圖3 本文所提變換器在工作模態1的等效電路Fig.3 Equivalent circuit of the proposed converter in No.1 operation mode

此時，加載在電感L1和L2上的電壓為

電源UDC通過二極管D2直接加載在電容C1上，給電容C1串聯充電，此時有

電容C1電壓UC1見圖1，這時二極管D1因承受反相電壓而截至，負載Rd與電容C2串聯，由C2供電。

1.2.2 工作模態2

在時間[t1，t2]內，開關管S1、S2關斷。此時電路工作在模態2下，其等效電路如圖4所示。

圖4 本文所提變換器在工作模態2的等效電路Fig.4 Equivalent circuit of the proposed converter in No.2 operation mode

此時二極管D2反向截止，電感L1、電源UDC、電感L2和電容C1串聯流經二極管D1給負載Rd供電，同時也跟電容C2充電，于是有

令開關管的導通時間為Ton，占空比為

由式（2）和式（6）可得電感L1在開關管S1、S2導通的時間Ton，內，其電流的增加量為

由式（1）～式（4）可得電感L1在二極管D1導通的時間d2TS內，其電流的減小量為

由于電感L1、L2在1個周期TS內，其電流增量等于0，聯立式（7）和式（8）得該拓撲電路的電壓增益為

1.2.3 工作模態3

在時間[t2，t3]內，開關管S1、S2關斷，流過電感L1、L2的電流為0，二極管D1、D2反相截止。此時電路工作在模態3下，其等效電路如圖5所示。

1.3 CCM模式和DCM模式下的電壓增益

1.3.1 CCM模式

在CCM模式時，占空比d1+d2=1，由式（9）可得CCM模式下的電壓增益為

圖5 本文所提變換器在工作模態3的等效電路Fig.5 Equivalent circuit of the proposed converter in No.3 operation mode

1.3.2 DCM模式

在DCM模式時，占空比d1+d2＜1，開關管S1、S2和二極管D1都關斷的時間為（1-d1-d2）TS。在工作模態1，二極管D2導通時間d1TS內，電容C1的吸收電荷量為

在工作模態2，二極管D1導通時間d2TS內，流經電容C1的平均電流值為IˉC1，此時電容C1釋放的電荷量為

因在1個周期TS內，電容C1充放電量總和為0，所以聯立式（11）和式（12）得

聯立式（9）和式（13）得

把式（14）代入式（9）可以得到DCM模式下的電壓增益為

1.3.3 變換器在不同占空比下的電壓增益

變換器工作在CCM模式和對應不同Γ值的DCM模式下，其相對于不同占空比的電壓增益曲線如圖6所示。

圖6 變換器在CCM和對應不同Γ值DCM下的電壓增益曲線Fig.6 Voltage gain curves of the converter in CCM and DCM with different values ofΓ

1.4 變換器的外特性

在d1TS時間段內，輸入電流的Iin平均電流為，電感L1、L2的平均電流分別為，負載Rd的平均電流為，則

輸入電流為

把式（17）和式（18）代入式（19）得

把式（20）代入式（21）可得

由式（23）可知，在臨界狀態下負載臨界電流為

式中：IL1,max為IL1的最大值；IL1,rip為電感電流紋波。

把式（10）代入式（24）得

由式（25）可知，當d1=1/3時，IG有最大值，即

式中：α為負載電流IO與IG,max之比；β為輸出電流UO與輸入電流Uin之比；fS為開關管的開關頻率。

以α為橫坐標，β為縱坐標，在Γ=0.02時，可得變換器的外特性曲線如圖7所示。圖7中8條曲線從下往上分別為占空比等于0.2,0.3,…,0.9時變換器的外特性曲線，其中虛線為DCM和CCM的分界線，虛線右邊為CCM模式，虛線左邊為DCM模式。

圖7 變換器的外特性曲線Fig.7 External characteristics curves of the converter

2 在CCM模式下與其他高增益DC-DC變換器的比較

2.1 變換器的電壓增益

本文對所提非隔離型高增益直流升壓變換器和其他直流升壓變換器在不同占空比時，進行了電壓增益比較研究，圖8表明了該變換器在電壓增益上的優勢。

圖8 本文所提變換器和其他高增益變換器在CCM模式下的增益曲線Fig.8 Gain curves of the proposed converter and other high-gain converters in CCM

2.2 開關管的電壓應力

在變換器的整個工作過程中有

結合式（4）和式（5）可得

式中Uds1、Uds2分別為開關管S1、S2的電壓應力。

而在BOOST電路中開關管的電壓應力為

由此可知，相對于BOOST電路，本文所提變換器在設計時可以選擇耐壓更低的開關管。

2.3 電感電流應力

由式（21）可知，橫坐標為變換器的電壓增益，縱坐標為變換器電感電流與輸出電流之比（用ζ表示），如圖9所示。對于BOOST電路，本文所提出的高增益變換器具有更低的平均電感電流，在相同輸出功率下，減小電感以節約成本很有優勢。

圖9 電感電流平均值的對比Fig.9 Comparison of average inductance current

3 實驗結果

為了驗證理論分析的正確性，針對本文提出的高增益直流升壓變換器，制作了1臺200 W的實驗樣機，并在CCM模式下進行了開環實驗驗證。實驗參數如下：輸入電壓Uin=30 V，開關管S1、S2工作頻率為50 kHz。元器件選型為電容C1=C2=47 μF，電感L1=L2=500 μF，開關管S1、S2選用IRFP260N，二極管D1、D2選用BYV34-500，負載Rd=200 Ω。電路額定參數為輸出電壓UO=200 V，輸出功率PO= 200 W。

實驗波形如圖10～圖13所示，其中Ugs1、Ugs2分別為開關管S1、S2的驅動信號，Uds1、Uds2分別為開關管S1、S2的漏源極電壓。由于開關管S1、S2在導通時過電壓的存在及電感L1、L2上電壓的波動，導致了Uds1、Uds2的波動，但仍可以得出在開關管S1、S2截止時Uds1、Uds2的平均電壓為100 V。

圖10 開關管S1、S2的驅動信號Fig.10 Drive signal of switch tubes S1and S2

圖11 電容C1所承受的電壓和輸出電壓Fig.11 Voltage of CapacitorC1and output voltage

圖12 二極管D1、D2的電壓波形Fig.12 Voltage waveforms of diodes D1and D2

圖13 開關管S1、S2的漏源極電壓波形Fig.13 Drain source voltage waveforms of switches S1and S2

圖14 變換器在不同輸出電壓下的效率曲線Fig.14 Efficiency curve of the proposed converter under different output voltages

圖14為本文所提出的高增益直流升壓變換器在負載為200 Ω時，效率隨輸出電壓變化的曲線。其中橫坐標為輸出電壓UO，縱坐標為變換器傳輸功率的效率η，其最大功率傳輸效率為0.945。

5 結論

本文提出了基于二極管正鉗位的新型高增益直流升壓變換器。通過對其工作原理、外特性曲線的分析和實驗樣機的驗證，表明了該變換器相較于傳統的直流升壓變換器有如下優點：

（1）拓撲結構和控制策略簡單，易滿足光伏發電中對直流升壓變換器的要求；

（2）當占空比相同時，具有較高的電壓增益；

（3）當輸出電壓相同的，具有較低的開關管電壓應力；

（4）在輸出功率相同時，具有較小的電感電流。

理論分析與實驗結果驗證了上述結論。基于上述優點，所提出的高增益直流升壓變換器適用于光伏發電系統中前級對DC/DC升壓變換器的要求。

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Novel High-gain DC-DC BOOST Converter Based on Diode Clamp

CHEN Geng，DONG Xiucheng，LI Haoran，DAI Sha，JIANG Linxiao
（School of Electrical Engineering and Electronic Information，Xihua University，Chengdu 610039，China）

TM46

A

1003-8930（2017）09-0048-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.09.008

2016-12-26；

2017-06-23

四川省電力電子節能技術與裝備重點實驗室開放基金資助項目（szjj2014-013）；西華大學研究生創新基金資助項目（ycjj2017053）；四川省教育廳重大培育資助項目（13ZC0003）

陳 庚（1988—），男，碩士研究生，研究方向為光伏發電系統中最大功率點跟蹤、電力電子中直流升壓變換拓撲結構及其控制。Email：crznh177@163.com

董秀成（1963—），男，碩士，教授，研究生導師，研究方向為電力電子與電力傳動、復雜非線性控制系統建模與控制、智能控制。Email：dxc136@163.com

李浩然（1990—），男，碩士研究生，研究方向為開關電源拓撲及其控制。Email：137991851@qq.com