低占空比高增益Δ 源DC-DC 變換器

房緒鵬，李鑫媛，闞興宸，薄常輝

(山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590)

近年來，我國化石燃料能源正逐漸失去其主導地位，新能源持續快速增長，在電網中占比日益提高，逐步進入大規模發展階段，目前風電、太陽能裝機容量均居世界第一[1]。新能源發電隨著技術與經驗的成熟，定會成為我國最重要的發電方式之一[2]。

因此，許許多多的功率變換器應運而生，例如供給直流負載的DC-DC 轉換器，供給交流負載的DCAC 傳統逆變器或者需要經過升降壓逆變才能供給交流負載的改進型逆變器。隨著新能源發電技術的不斷進步，研究者們對變換器種類和性能的研究也在不斷深入。例如，2002 年出現的Z 源逆變器[3]，由于其優良的性能，被廣泛應用于很多領域，但存在輸入電流不連續、沒有公共接地的缺點。此后，學者們又相繼提出各種性能更加優良的準Z 源結構[4]、開關電感結構[5]、耦合電感結構[6]等。特別是近幾年才被提出的耦合電感結構，以其升壓靈活、升壓能力更強的優點，在很多領域得到了應用。

文獻[7]提出了一種Y 源變換器，雖然它具有連續的輸入電流和公共接地，但是這種轉換器在較低的占空比下具有較低的電壓增益。之后，學者們深入研究提出了性能更加優越的Y 源變換器[8]，文獻[9-10]中所述的變換器是其他類型的阻抗源變換器，其中電壓增益取決于占空比，高占空比條件下才能獲得高電壓增益。在高占空比下工作意味著更大的開關損耗，此外，組成這些變換器的元件數量很多，增加了成本。由此有些學者又相繼提出了Δ 源變換器[11-13]，它是一種新型的三耦合電感的阻抗源變換器。與傳統的Y 源網絡相比，傳統Δ 源網絡具有更小的漏感。此外，其繞組較小，從而提高了效率。該結構的另一個優點是其較小的磁化電流，從而使鐵芯尺寸更小。該結構的缺點是由于磁化電流紋波較大，其鐵芯損耗較高。本文提出的Δ 源變換器不僅繼承了上述網絡的優點，還實現了工作在較低占空比下仍能獲得較高的升壓因子，而且磁化電流和磁化電流紋波都有所減小。

1 低占空比高增益Δ 源變換器工作原理

圖1 為所提出的Δ 源變換器主電路，它是在準Z 源和Δ 源變換器基礎上提出的。將準Z 源變換器和傳統Δ 源變換器拓撲進行融合，在傳統Δ 源變換器拓撲中加入電感、電容、二極管等器件，使得新拓撲具有這兩類變換器的雙重優點。

圖1 低占空比高電壓增益Δ 源變換器

該電路主要有兩種運行狀態:直通狀態(開關S導通)和非直通狀態(開關S 關斷)。這兩種狀態的等效電路如圖2 所示。

圖2 低占空比高電壓增益Δ 源等效電路圖

當電路處于直通狀態時，如圖2(a)所示，負載側直通狀態等效成短路，電源Vin與電感L、電容C1構成回路，三角耦合網絡和電容C2、電容C1分別構成回路。對磁化電感Lm和電感L列寫KVL 方程有:

當電路處于非直通狀態時，如圖2 所示，二極管D1，D2均不導通，負載側處于正常狀態。由于負載一般是感性的，將其等效為一個電流源，這時直流電源和電感L以及耦合電感網絡一邊向電容C1、C2充電，一邊向負載供電，對磁化電感Lm和電感L列寫KVL 方程:

通過在一個開關周期對磁化電感Lm和電感L上的電壓應用伏秒平衡公式可列出:

由以上公式得:

低直通占空比高增益變換器電壓增益為:

式中:K為變比，d為占空比。

為了更好地比較分析該變換器的優越性能，本文對傳統Δ 源(如圖3)進行了簡單介紹。由文獻[11]可得其主要參數如表1 所示。

圖3 傳統Δ 源變換器

表1 Δ 與IΔ 變換器各項參數對比

表1 簡要比較了兩種阻抗網絡的不同參數。很明顯，IΔ 具有低占空比高電壓增益的優點，同時磁化電流降低，磁芯尺寸變小。在相同的輸入電壓下，電容器電壓應力也大大減小。

2 低占空比高增益Δ 源特性分析

2.1 升壓能力的比較

為了更好地說明所提出變換器的升壓性能，圖4繪制了該變換器在不同K和d值下的電壓增益，由圖中不難發現，本文提出變換器工作在低占空比下仍能獲得較高的電壓增益，降低了開關損耗，提高了輸出質量。

圖4 電壓增益曲線

2.2 磁化電流和磁芯尺寸比較

ST 段時間的最大儲能決定磁芯尺寸。最大能量與最大磁化電流的平方有關，可通過以下公式計算:

式中:Im和Δim分別為磁化電流的平均值和紋波值。從理論上講，磁化電流im由繞組電流根據安培定律確定如下:

在直通狀態下，很顯然可以由圖2(a)和式(13)列出:

由式(14)～式(16)得:

同理在非直通狀態下可得:

由式(19)～式(21)可得:

將每個狀態的平均電流代入式(17)、式(18)、式(22)、式(23)，ST 和NST 狀態下的平均電容器電流計算如下:

在開關周期內，對電容器C1、C2進行安培秒平衡計算得出平均磁化電流平均值如下:

同時，磁化電流的紋波分量為:

在NST 狀態下，磁化電流紋波可以表示為:

通過對Δ 源采用相同的方法，可獲得磁化電流的平均值和紋波分量的以下結果:

Im和Iin分別是磁化和輸入電流的平均值。從式(28)和(31)可以清楚地看出，IΔ 網絡的平均磁化電流低于傳統的Δ 源網絡。同理可由式(30)和式(32)比較得出，IΔ 磁化電流紋波值也小于Δ 源變換器。由此可見，IΔ 磁芯尺寸要遠小于Δ 源變換器的磁芯尺寸。

2.3 IΔ 的工作效率

圖5 為該變換器工作狀態下的仿真效率曲線，傳輸效率較高。

圖5 工作效率曲線

3 仿真及實驗結果

為了驗證理論的正確性，在MATLAB 軟件中對所提出電路進行了仿真，并將仿真結果與實驗室制作樣機的實驗結果進行了比較，實驗參數與仿真參數保持一致。原型參數列于表2。

表2 仿真和實驗參數

繞組匝數比選擇為60∶40∶20。對于IΔ 占空比的選擇，為了更好地體現其低占空比高升壓因子的優良特性，取d＝0.1，K＝3。

變換器在正常工作狀態下的仿真波形如圖6 所示。實驗樣機如圖7，選用DSP 芯片TMS320F28335產生的調制信號，控制開關管的導通與關斷。圖8為電路的實驗波形，由實驗結果可以看出，IΔ 實現了低占空比較高增益輸出。受開關管內阻等因素影響，該變換器的實際輸出電壓與理論值存在一定誤差，但實驗結果在誤差允許范圍內，驗證了理論分析的正確性和可靠性。

圖6 仿真圖形

圖7 實驗樣機

圖8 實驗波形

4 結束語

本文研究了一種低占空比高增益Δ 源DC-DC變換器，介紹了所提出變換器的電路拓撲、工作原理，通過仿真和實驗驗證了本文所提出變換器的工作特性。它不僅繼承了傳統Δ 源DC-DC 變換器的優良特性，而且其工作在低占空比條件下升壓能力有了進一步提升，實現了更高的電壓增益，傳輸效率較高，體積較小，應用領域更加廣泛。