一種三電平高增益DC-DC變換器

張超蘭，陳樂朋，潘迦藍

（三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

隨著人類社會和科學技術的不斷進步，光伏發電因具備分布廣泛、無污染等優點，成為研究熱點[1-3]。受光電池自身性能的限制，單光電池板的輸出電壓一般為30～50 V，而并網輸入電壓為380～400 V。因此，具有高升壓能力的DC-DC變換器在光伏發電系統中具有重要作用[4]。

傳統Boost變換器可通過增大主開關的占空比提升輸出電壓增益。但是，當主開關的占空比過大時，將導致開關管的電壓應力增加，從而增大開關器件的損傷和開關損耗，降低變換器的效率和穩定性[5]。因此，提出了一種基于開關電容結構的DC-DC變換器，通過增加開關電容單元的數量提升輸出電壓增益，但開關電容單元的結構較復雜，需配備相應的輔助元件，大大增加了拓撲結構和控制策略的復雜度，同時在開關狀態切換時易產生電流尖峰，損害元器件[6]。基于此，本文提出了一種新型三電平高增益DC-DC變換器，具有電路拓撲簡單、開關管電壓應力低、輸出電壓增益高及控制簡單等優點。

1 工作原理

圖1為三電平高增益DC-DC變換器的電路拓撲。為簡化分析過程，作出如下假設：電路中的所有元器件均為理想器件，不考慮寄生參數；電容C1、C2為無窮大，且電容電壓不變；電感電流連續，開關管Q1和Q2、Q3和Q4交錯開通和關斷，驅動信號反相。

圖1 三電平高增益DC-DC變 換器

變換器在一個工作周期T內有四個工作模態，變換器穩定工作時的主要波形和各模態的等效電路分別如圖2和圖3所示。

圖2 變換器穩定工作時的主要波形

變換器的工作過程如下

模態一[t0～t1]：開關管Q1、Q2、Q3、Q4導通，二極管 D1、D2、D3、D4反向截止，電源Ui給電感L1、L2充電，電感電流線性上升，電容C3對負載RL供電，此時有：

其中，Ui為變換器的輸入電壓，UL1、UL2分別為電感L1、L2的兩端電壓，UC3為電容C3的兩端電壓。

模態二[t1～t2]：開關管Q1、Q4關斷，Q2、Q3導通；二極管D1、D3導通，D2、D4反向截止；電源Ui與電感L1串聯對電容C1充電，電源Ui與電感L2串聯對電容C2充電，流過電感L1、L2的電流線性下降，電容C3對負載RL供電，此時有：

其中，UC1、UC2分別為電容C1、C2的兩端電壓。

模態三[t2～t3]：開關管Q1、Q2、Q3、Q4導通，二極管 D1、D2、D3、D4反向截止，電源Ui給電感L1、L2充電，電感電流線性上升，電容C3對負載RL供電。

模態四[t3～t4]：開關管Q1、Q4導通，Q2、Q3關斷；二極管D2、D4導通，D1、D3反向截止；電源Ui與電感L1、L2，電容C1、C2串聯向負載RL和電容C3供電，此時有：

其中，UO為變換器的輸出電壓。

2 性能分析

2.1 電壓增益

設開關管Q1、Q2、Q3、Q4的占空比為D，根據電感L1的伏秒平衡可得：

聯立式（1）、式（3）、式（5）及式（6），可得：

根據式（7）可知，變換器的輸出電壓增益為：

2.2 開關管電壓應力

設開關管 Q1、Q2、Q3、Q4的電壓應力分別為根據 KVL，可知：

聯立式（3）、式（7）及式（9），可得：

聯立式（1）、式（3）、式（4）、式（7）及式（10），可得：

聯立式（3）、式（7）及式（9），可得：

聯立式（1）、式（3）、式（4）、式（7）及式（12），可得：

圖3 各模態等效電路

設二極管 D1、D2、D3、D4的電壓應力分別為UD1、UD2、UD3、UD4，根據各模態等效電路可知，在模態一和模態三時，有：

聯立式（1）、式（3）、式（4）、式（7）、式（17）及式（18），可得：

在模態二時，有：

聯立式（1）、式（3）、式（4）、式（7）、式（20）及式（21），可得：

在模態四時，有：

聯立式（1）、式（3）、式（4）、式（7）、式（23）及式（24），可得：

傳統Boost變換器主開關管的電壓應力為：

可見，相較于傳統Boost變換器，本文提出的三電平高增益DC-DC變換器的開關管電壓應力顯著降低。

2.3 飛跨電容電壓

設飛跨電容C1、C2兩端電壓分別為UC1、UC2。聯立式（1）、式（3）、式（4）及式（7），可得：

3 仿真驗證

為驗證本文所提三電平高增益DC-DC變換器的可行性，利用PSIM軟件進行仿真，變換器的具體參數如表1所示。

表1 變換器具體參數

變換器穩定工作時的PSIM仿真波形如圖4所示。圖4（a）為變換器的輸入電壓Ui、輸出電壓UO和輸出電流IO的波形。根據式（7），可算出變換器的輸出電壓UO=700 V。圖 4（b）為開關管Q1、Q2、Q3、Q4的電壓波形，根據式（13）～式（16），可算出開關管Q1、Q2、Q3、Q4的電壓應力均為200 V。圖4（c）為二極管D1、D2、D3、D4的電壓波形，根據式（19）、式（22）及式（25），可算出二極管D1、D2、D3、D4的電壓應力均為200 V。圖4（d）為飛跨電容C1、C2的電壓波形，根據式（27）可算出UC1=UC2=200 V。根據仿真波形可看出，本文所提三電平高增益DC-DC變換器的仿真結果與理論分析基本一致。

圖4 PSIM仿真波形

4 結 論

理論分析與仿真結果表明，該變換器的電路拓撲和控制策略簡單，不含耦合電感等器件，無需添加復雜的輔助電路，設計成本低，且實現了輸入、輸出電壓高增益，同時開關管電壓應力低。因此，該變換器適用于大規模光伏發電系統。