基于CLD模塊的新型DC-DC升壓變換器

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(1.西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621010； 2.電子科技大學 自動化工程學院，四川 成都 610054)

隨著人類文明的發展，人類日常生產生活對能源的依賴也日益緊密[1]。因化石能源儲量有限，加之其在燃燒供能的過程中對環境造成了不容忽視的污染等因素，激發了人們對新能可再生能源的需求，進而吸引了大量的專家學者投身到了對其的研究中來[2-3]。

光伏發電技術因其能量來源于光能，加之其在完成光電轉換的過程中清潔無污染，使其一躍成為了新能源研究領域里的焦點。由于光伏電池直接輸出的直流電壓一般都較低，難以滿足分布式光伏電站充電樁或并網逆變器中直流匯流母線對高壓直流電的需求，所以常需要在光伏電站充電樁中或光伏發電系統中加入DC-DC升壓變換器模塊[4-5]。傳統的Boost升壓變換器拓撲結構一般適用于電壓增益不超過6的場合[6]。為了在光伏電站充電樁中或光伏發電系統中實現更高的電壓增益，近年來大量的DC-DC升壓變換器拓撲結構被提出[7-11]。雖然部分高增益DC-DC升壓變換器拓撲結構實現了較高的電壓變比，但仍具有電感電流過大、開關管電壓應力過高、變換器整體能量轉換效率不高等缺點。

針對在新能源的利用過程中對高增益DC-DC升壓變換器拓撲結構的需求，提出了一種高增益的DC-DC的新型拓撲結構。該拓撲結構的輸出電壓是其輸入電壓的(3D+1)/(1-D)倍，兩有源開關管的電壓應力為輸出電壓的1/(3D+1)倍，兩無源開關管的電壓應力為輸出電壓的2/(3D+1)倍。本文對該新型DC-DC拓撲結構的工作原理及其性能特點進行了嚴密的理論分析和邏輯論證，最終通過制作的實驗樣機實驗，對上述分析進行了實驗驗證。

1 工作原理

所提高增益的DC-DC的新型拓撲結構如圖1所示。其中有源開關管S1、S2參數相同、型號一致，電感元器件L1、L2參數相同、型號一致，電容元器件C1、C2參數相同、型號一致，無源開關管D1、D2參數相同、型號一致。為了簡化對其工作原理的分析過程，現做以下假設：① 拓撲結構中所有電感(L1、L2、L3)的電流(iL1、iL2、iL3)連續;② 拓撲結構中所有電容(C1、C2、C3)的容量大到足以忽略其電壓紋波為止；③ 拓撲結構中所有元器件都是理想的；④ 拓撲結構中兩有源開關管(S1、S2)采用同步控制的控制策略[3]。

圖1 基于CLD模塊的新型DC-DC升壓變換器

由于在該變換器拓撲結構工作的整個過程中電感電流連續，所以該變換器拓撲結構一直工作在其電感電流連續模式(Continuous Conduction Model,CCM)。現分別對所提變換器拓撲結構中有源開關管S導通和關斷兩種模式進行分析。表1為有源開關管S分別在兩種工作模態下，所有開關管的開關狀態。

表1 開關狀態表

1.1 工作模式1

此時變換器拓撲結構中有源開關管S1、S2導通，無源開關管D1、D2關斷，圖2為其等效電路圖。此時該拓撲結構中有5個電流環路，具體如下。

① 環路1，電源Vin、電感L1和有源開關管S1串聯形成環路，此時電源電壓Vin給電感L1充電；

② 環路2，電源Vin、電感L2和有源開關管S2串聯形成環路，此時電源電壓Vin給電感L2充電；

③ 環路3，電容C1、有源開關管S1、電感L2、電容C2、電容C3、電感L3串聯形成環路，此時電容C1電壓VC1、電感L2電壓VL2、電容C2電壓VC2、電容C3電壓VC3串聯給電感L3充電；

④ 環路4，電容C1、電感L1、有源開關管S2、電容C2、電容C3、電感L3串聯形成環路，此時電容C1電壓VC1、電感L1電壓VL1、電容C2電壓VC2、電容C3電壓VC3串聯給電感L3充電，環路3與環路4中電感L1與L2并聯；

⑤ 環路5，電容C3與負載R串聯形成環路，此時電容C3給負載R供電。

圖2 所提變換器工作模式1等效電路

由上述對工作模態1的分析可知：

(1)

(2)

1.2 工作模式2

此時變換器拓撲結構中有源開關管S1、S2關斷，無源開關管D1、D2導通，圖3所示為其等效電路圖。此時該拓撲結構中有5個電流環路，具體如下。

① 環路1，電感L1、電源Vin、電感L2、無源開關管D1、電容C1串聯形成環路，此時電感L1電壓VL1、電源電壓Vin、電感L2電壓VL2串聯給電容C1充電；

② 環路2，電感L1、電源Vin、電感L2、電容C2、無源開關管D2串聯形成環路，此時電感L1電壓VL1、電源電壓Vin、電感L2電壓VL2串聯給電容C2充電；

③ 環路3，電感L3、電容C1、無源開關管D2、電容C3串聯形成環路，此時電感L3電壓VL3與電容C1電壓VC1串聯給電容C3充電；

④ 環路4，電感L3、無源開關管D1、電容C2、電容C3串聯形成環路，此時電感L3電壓VL3與電容C2電壓VC2串聯給電容C3充電；

⑤ 環路5，電容C3與負載R串聯形成環路，此時電容C3給負載R供電。

圖3 所提變換器工作模式2等效電路

由上述對工作模態2的分析可知：

(3)

(4)

2 性能分析

圖4為所提高增益的DC-DC的新型拓撲結構在CCM模式下的部分電壓電流波形。其中VC1、VC2、VC3分別為加載在電容C1、C2、C3兩端的電壓，IL1、IL2、IL3分別為流經電感L1、L2、L3的電流，VD1、VD2分別為加載在無源二極管D1、D2兩端的電壓，T、Ton、Toff分別為有源開關管S的時鐘周期、導通與關斷時間。

圖4 基于CLD模塊的新型DC-DC升壓變換器的主要波形

2.1 電壓增益M

由變換器拓撲結構的工作原理可知，在CCM模式下變換器的開關管一直在工作模態1與工作模態2之間循環切換。現對圖2與圖3中電感L2和L3運用伏秒平衡可知

(5)

L3：(2VC1+Vin-Vo)ton+(VC1-Vo)toff=0

(6)

由于Ton/D=Toff/(1-D)，聯立式(5)、式(6)可得

(7)

式中，D為開關管S的占空比。

圖5為本文所提高增益的DC-DC的新型拓撲結構和其他文獻中提到的高增益DC-DC升壓變換器拓撲結構就電壓增益在CCM模式下的比較曲線。由此曲線可知本文所提DC-DC升壓變換器拓撲結構在占空比D大于0.34時，其相較于現階段常見的3種其他DC-DC升壓變換器拓撲結構具有較高的電壓增益，這對于占空比D最佳工作比為0.5～0.8的兩級式光伏發電系統中的DC-DC升壓變換器來說具有重要意義。其避免了DC-DC升壓變換器在過高或過低占空比狀態下工作時，給有源開關管電流和電感電流帶來的巨大紋波值，同時又滿足了變換器對高電壓增益的需求。所以本文所提高增益DC-DC新型拓撲結構相較于文獻[10]和文獻[11]所提變換器拓撲結構在電壓增益上具有明顯的優勢。

圖5 本文所提變換器和其他高增益變換器在CCM

2.2 開關管的電壓應力

由式(5)、式(6)可知

(8)

(9)

由工作模態2可知，當有源開關管S關斷時電感L1電壓VL1、電源電壓Vin、電感L2電壓VL2串聯給電容C1充電。于是有

(10)

由圖3可知有源開關管S兩端的電壓應力VS-stress為

(11)

由圖2可知無源開關管S兩端的電壓應力VD-stress為

(12)

由變換器拓撲結構的工作原理可知，拓撲結構中的有源開關管S1與S2的電壓應力相等且均為VS-stress，其中有源開關管S1與S2的電壓應力分別用VS1-stress、VS2-stress表示；無源開關管D1、D2的電壓應力相等且均為VD-stress，其中無源開關管D1、D2的電壓應力分別用VD1-stress、VD2-stress表示。

表2為所提出的高增益的DC-DC變換器的新型拓撲結構、文獻[11]所提變換器拓撲結構、文獻[10]所提變換器拓撲結構的電壓增益及其有源開關管S和無源開關管D上的電壓應力參數。由表2可知本文所提新型變換器拓撲結構中無論是有源開關管還是無源開關管上的電壓應力，在當占空比D大于0.34時都明顯小于文獻[11]和文獻[10]所提變換器拓撲結構中有源開關管和無源開關管上的電壓應力。這使得在變換器元器件選型時，可以選擇更低額定電壓的元器件，從而達到降低變換器硬件成本的目的。同時較低的有源開關管電壓應力能有效地降低其導通阻抗，從而降低能量在有源開關管上的損耗；較低的無源開關管電壓應力能有效地降低其反向恢復時能量在無源開關管上的損耗；從而有效降低DC-DC變換器在正常工作時對能量的消耗，進而實現了提高變換器能量轉換效率的目的。因此本文所提高增益DC-DC新型拓撲結構相較于文獻[10]和文獻[11]所提變換器拓撲結構在硬件制作成本和能量轉換效率上具有明顯的優勢。

表2 三種變換器的性能比較

3 實驗研究

為了驗證上述對本文所提高增益的DC-DC的新型拓撲結構所做理論分析的正確性，現按照圖1所示拓撲結構在實驗室制作了一臺額定功率為200 W的試驗板，并進行了開環實驗。實驗板中所用元器件參數如表3所示。

表3 實驗用參數

圖6為本文所提高增益的DC-DC新型拓撲結構在占空比D=0.7時的實驗波形。圖6(a)為實驗板的輸入輸出電壓波形，從中可讀出其值Vin=10 V、Vo=100 V，其與理論推算值一致。圖6(b)為實驗板中有源開關管S1、S2兩端的電壓應力波形，從中可讀出其讀數VS1-stress=VS2-stress=32 V，其值與理論分析值一致。圖6(c)為實驗板中無源開關管D1、D2兩端的電壓應力波形，從中可讀出其讀數VD1-stress=VD2-stress=65 V，其值與理論分析值一致。因該實驗波形數據與理論分析值均一致，從而證明了上述對本文所提出的高增益的DC-DC新型拓撲結構所做理論分析的正確有效性。

圖6 實驗波形

圖7為本文所提高增益DC-DC新型變換器拓撲結構的實驗板，在輸入電壓Vin=15 V、負載R=200 Ω時，通過改變占空比D的大小來調節不同輸出電壓Vo時所對應的實驗板的能量轉換效率曲線。從中可得：隨著輸出電壓的增加，本文所提高增益DC-DC新型變換器的能量轉換效率越高。

4 結論

本文提出了一種高增益的DC-DC的新型拓撲結構。通過對其工作原理的闡述和性能特點的分析加之

圖7 效率曲線

實驗樣板的實驗，實驗結果表明該變換器拓撲結構具有如下特點。

① 變換器拓撲結構中兩有源開光管采用同一控制信號，其具有控制策略簡單的優點，對控制電路的硬件要求不高。

② 在較低占空比時具有較大的電壓增益，能夠滿足新能源發電系統中對電壓增益的需求。

③ 變換器拓撲結構在工作時開關管具有較低的電壓應力，這對降低設備成本、減少能量損耗、提高能量轉換效率具有積極作用。

綜上所述，該變換器拓撲結構具有控制策略簡單、電壓增益高、開關管電壓應力低等特點，可作為電動汽車充電站及電動機車中的DC-DC升壓變換器使用。