一種基于Sepic的新型高增益DC/DC變換器

高 雙，趙世偉，張龍威，李江榮

(華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510641)

0 引言

近年來，DC/DC變換器廣泛應用在多種工業領域中。例如在可再生能源的直流微網系統中，太陽能光伏板、燃料電池等微源都需要通過DC/DC變換器與直流母線相連接[1-4]。然而光伏電池和燃料電池這些微源提供的直流電壓較低，要達到較高的電壓增益，必須要求傳統的Boost變換器工作在極大的占空比下，這樣不僅會使得開關損耗增加，而且不利于Boost變換器的長期工作[5-8]。文獻[9-11]在傳統的Boost變換器基礎上引入開關電容與開關電感單元，雖然在一定程度上提高了電壓增益，但是所提升的電壓增益有限，并且所用元器件數量較多，成本高且不利于控制。除了在傳統的Boost變換器基礎上改進得到高增益的DC/DC變換器拓撲以外，Sepic變換器以輸入與輸出同相、輸入電流連續等優點也逐漸應用于可再生能源系統中。文獻[12-13]通過將耦合電感與有源開關電感單元與傳統的Sepic變換器相結合提高了變換器的電壓增益，但是所用開關器件與電感數量較多，不利于變換器體積的小型化且變換器的控制設計較困難。本文在文獻[14]的基礎上提出了一種新型的Sepic高增益DC/DC變換器，將無源鉗位電路和耦合電感單元引入傳統的Sepic變換器中，所提出的變換器具有電壓增益高、輸入電流連續且紋波小、二極管反向恢復問題輕等優點，并且只使用一個開關管，其結構和控制方法較簡單。

1 變換器工作原理

1.1 電路拓撲

所提出的變換器等效電路結構圖如圖1所示，耦合電感等效為理想變壓器與勵磁電感并聯后再與漏感串聯，匝比N=NS/NP，耦合系數k=Lm/(Lm+Lk)，其中Lm為勵磁電感，Lk為漏感。為了便于分析變換器的工作原理，做以下假設：(1)所提變換器工作在電流連續模式下；(2)開關管與所有二極管均為理想器件；(3)所有的電容值足夠大，其電壓紋波值視為零。

圖1 所提變換器等效電路原理圖

1.2 工作原理

當變換器工作在穩態時，元件在一個開關周期內的工作波形如圖2所示，各個開關模態的等效電路如圖3所示。

圖2 變換器工作波形圖

開關模態1[t0＜t＜t1]：在t0時刻，開關管Q處于零電流開通狀態，二極管D1、D2導通，二極管Dc、D0關斷。耦合電感的漏感電流ILk上升，二次側電流ILs下降，當ILs下降到零時，此時勵磁電感電流值與漏感電流值相等，模態1結束。

開關模態2[t1＜t＜t2]：在t1時刻，開關管Q、二極管D0導通，二極管D1、D2、Dc關斷。鉗位電容Cc在給勵磁電感提供能量的同時還為電容C1充電，此時電容C2、C3放電為負載提供能量。在此模態中，漏感與鉗位電容Ce、電容C1之間發生諧振，此時可以得到如下等式：

式中fr表示諧振頻率。

開關模態3[t2＜t ＜t3]：在t2時刻，開關管Q、二極管D1、D2關斷，二極管Dc、D0導通。輸入電流、勵磁電感電流、漏感電流均開始下降，當勵磁電感電流下降到與漏感電流相等時，此模態結束。

圖3 各個開關模態等效電路圖

開關模態4[t3＜t＜t4]：在t3時刻，二極管D0關斷，二極管Dc、D1、D2導通。耦合電感二次側通過二極管D1、D2給電容C1、C2充電，輸入電壓通過鉗位二極管Dc繼續給鉗位電容Cc充電，此時的負載R能量由輸出電容C0提供。

開關模態5[t4＜t ＜t5]：在t4時刻，鉗位二極管Dc關斷，二極管D1、D2繼續導通。電容C1給鉗位電容Cc充電，耦合電感二次側通過二極管D1、D2繼續給電容C1、C2充電。

2 工作特性分析

2.1 電壓增益

為方便分析電路在穩態時的工作特性，忽略模態1、模態3這兩個持續時間很短的工作模態。

根據開關模態2可得到如下等式：

式中VL1表示電感L1上的電壓，其他以此類推。

根據開關模態4可得到如下等式：

結合式(2)、(3)、(5)、(6)，再根據輸入電感L1與勵磁電感Lm的伏秒平衡原理可得：

忽略實際工作過程中漏感對變換器的影響，聯立式(4)、(6)、(7)、(9)，得到理想情況下電壓增益M的表達式為：

圖4給出了當N=2時，本文所提變換器與傳統Sepic變換器、文獻[15]所提變換器電壓增益對比圖。可以明顯地看出，本文所提變換器具有更高的電壓增益。

圖4 各變換器電壓增益對比

2.2 開關器件的電壓應力

開關管Q以及二極管上的電壓應力表達式如下：

2.3 變換器之間的工作特性比較

表1給出了文中所提變換器與其他變換器之間的一些數據特性對比。從表1中可以看到，本文所提變換器有著更高的電壓增益以及更低的開關管電壓應力，并且所需要的二極管數量也遠少于文獻[15]中的變換器，有效降低了電路的成本以及控制的復雜性。

表1 不同變換器之間的工作特性對比

3 實驗驗證

為了驗證理論分析的正確性以及所提變換器的可行性，搭建了一臺100 W的實驗樣機，樣機的實驗參數為：輸入電壓Vin=20 V，輸出電壓V0=200 V，輸出功率P0=100 W，開關頻率fs=50 kHz，匝比N=2.5。滿載時的實驗波形如圖5所示。示波器的時基為4 μs/格。

圖5(a)給出了變換器的驅動波形以及輸入電感電流、漏感電流波形圖。當變換器滿載工作時，輸出電壓在占空比為0.6左右達到了200 V。由于漏感的存在，會造成一定值的占空比丟失，這也與理論分析保持一致。

圖5(b)、(c)、(d)是開關管和二極管兩端的電壓和電流波形。如1.2節分析所示，在開關管開通的過程中，漏感Lk與鉗位電容Cc、電容C1之間有一個諧振過程，因此其電流波形并不是完全呈線性變化的，開關管也基本實現了零電流開通。同理由于諧振的存在，輸出二極管D0的電流波形呈正弦波變化，有效減輕了反向恢復的影響。

圖5(e)是電容以及輸出電壓波形。電容C1、C2、C3、Cc的電壓分別為：38 V、58 V、55 V、60 V，其實際值與理論計算值基本一致。

圖5 滿載時實驗波形

圖6是變換器的實測與理論電壓增益對比圖。從圖中可以看出，如果忽略漏感所造成的占空比丟失，實際測得的電壓增益曲線與理論計算的增益曲線基本上是相一致的。

圖6 理論與實測電壓增益對比

4 結論

本文提出一種新型的Sepic高增益變換器，在保留經典Sepic變換器輸入電流連續和低紋波優點的基礎上，通過引入耦合電感單元，改變耦合電感匝比來獲得較高的電壓增益。由于變換器在工作過程中漏感與電容之間產生的諧振，降低了開關管的電流峰值，同時也極大地減輕了二極管的反向恢復問題。針對上述優點，所提出的高增益變換器適合應用在可再生能源系統中。