一種高電壓增益低開關(guān)應(yīng)力的DC－DC變換器?

房緒鵬，闞興宸，王 旭，魯 瑩

(山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

DC－DC 變換器在光伏系統(tǒng)的電網(wǎng)集成中是必不可少的，通常是需要將其產(chǎn)生的低壓電能提升至可供電網(wǎng)使用的高壓電能，所以很多學(xué)者做了許多嘗試來(lái)解決與傳統(tǒng)的高增益變換器相關(guān)的問(wèn)題。Z源變換器最早由彭方正提出[1]，之后他又提出了準(zhǔn)Z 源等改進(jìn)結(jié)構(gòu)[2－3]。但這兩種電路拓?fù)浯嬖谝恍┤毕荨＝陙?lái)，Y 源阻抗網(wǎng)絡(luò)概念被相繼提出[4]，并對(duì)其不斷進(jìn)行改進(jìn)[5－7]。該拓?fù)涫怯? 個(gè)緊密耦合的電感器組成，其電壓增益遠(yuǎn)高于Z 源變換器，但Y源變換器也仍存在著輸入電流不連續(xù)、啟動(dòng)沖擊電流大等缺點(diǎn)，因此有學(xué)者提出改進(jìn)型Y 源變換器(IY)[8]，通過(guò)對(duì)其不斷深入的研究[9－11]，有效地解決了該類問(wèn)題。另一方面，當(dāng)需要高電壓增益時(shí)，IY源變換器可調(diào)占空比范圍很小，導(dǎo)致控制的靈活性降低。雖然其具有很高的電壓增益，但是其功率開關(guān)上的電壓應(yīng)力也相應(yīng)升高，導(dǎo)致效率降低。文獻(xiàn)[12]提出一種低開關(guān)應(yīng)力的DC－DC 變換器，但是該變換器升壓能力有限。

本文提出了一種改進(jìn)的高增益低開關(guān)應(yīng)力Y源DC－DC 變換器，它是在改進(jìn)型Y 源拓?fù)渲屑尤腴_關(guān)電感并通過(guò)將功率開關(guān)移到輸入側(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，改進(jìn)型開關(guān)電感Y 源變換器(ISLY)不但保留了改進(jìn)型Y 源變換器輸入電流連續(xù)這一優(yōu)點(diǎn)，而且增大了占空比的調(diào)節(jié)范圍，同時(shí)降低了開關(guān)的電壓應(yīng)力。

1 電路結(jié)構(gòu)及工作原理分析

圖1 所示為所提出的改進(jìn)型開關(guān)電感Y 源DCDC 變換器主電路，該電路主要由3 個(gè)以Y 形連接的緊密耦合電感N1，N2，N3，5 個(gè)電容C1－5，2 個(gè)電感L1，L2，3個(gè)二極管D1－3，一個(gè)開關(guān)S 組成。從圖1 中可以觀察到，ISLY 是將改進(jìn)型Y 源拓?fù)涞挠性撮_關(guān)的位置從輸出端移動(dòng)到輸入端，同時(shí)加入開關(guān)電感模塊。該變換器存在連續(xù)的輸入電流，峰值開關(guān)電流顯著降低。

圖1 ISLY 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該電路主要有兩種工作狀態(tài)，分別是直通狀態(tài)(S 導(dǎo)通)和非直通狀態(tài)(S 關(guān)斷)，兩種狀態(tài)的等效電路如圖2(a)和圖2(b)所示。

圖2 ISLY 等效電路圖

(1)當(dāng)開關(guān)S 閉合，電路處于直通狀態(tài)時(shí)，如圖2(a)所示，二極管全部反向偏置，直流電源和電容C3，C4向電感L1，L2充電，電容C1向三繞組耦合電感充電。假設(shè)功率元件理想，電容器能夠保持輸出電壓恒定，C3和C4相等且值很大，由以上分析可以得到:

考慮磁化電感，則3 個(gè)耦合電感的電壓存在式(2)關(guān)系，又由KVL 得到式(3)和式(4)。

式中:VLm為磁化電感電壓，N1，N2，N3為耦合電感的匝數(shù)，VN1，VN2，VN3為繞組N1～N3的電壓。

(2)當(dāng)開關(guān)S 關(guān)斷，電路處在非直通狀態(tài)時(shí)，如圖2(b)所示，二極管全部正向?qū)āｋ姼蠰1，L2向電容C3，C4充電，直流電源通過(guò)耦合電感向負(fù)載和電容C1等充電，根據(jù)KVL 可以得到如下方程:

式中:V′L，V′N1，V′N2，V′N3分別為非直通狀態(tài)下電感L1和繞組N1～N3的電壓。

根據(jù)電感的伏秒平衡原理，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感兩端的平均電壓在電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)等于0，得

式中:D為占空比，聯(lián)立式(4)、式(5)、式(10)得

聯(lián)立式(3)、式(11)和式(6)～式(9)，得

所以改進(jìn)型開關(guān)電感Y 源DC－DC 變換器的電壓增益為

由上式可知1－2D>0，所以D的取值范圍為

圖3 為4 種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓增益曲線比較圖，其中Y 源，改進(jìn)型Y 源(IY)，改進(jìn)型開關(guān)電感Y 源(ISLY)的K值均為4。從圖中可以明顯的看到，雖然Y 源拓?fù)浜虸Y 源拓?fù)溆懈玫纳龎耗芰Γ歉鶕?jù)K的取值占空比被限制在一個(gè)很小的范圍內(nèi)。與Z 源拓?fù)湎啾龋琁SLY 在占空比范圍相同的條件下有更好的升壓能力。所以ISLY 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同時(shí)具有良好的升壓能力與較寬的占空比范圍兩方面的優(yōu)勢(shì)。

圖3 不同拓?fù)涞碾妷涸鲆媲€

2 器件電壓應(yīng)力分析

為了更加準(zhǔn)確地選擇器件，分析開關(guān)管、二極管和電容器上的電壓應(yīng)力。當(dāng)開關(guān)S 斷開時(shí)開關(guān)兩端的電壓為

當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)三個(gè)二極管分別承受的反向電壓為

表1 列出了Y 源變換器，IY 源變換器和ISLY源變換器中器件和輸出電壓以及占空比的對(duì)應(yīng)關(guān)系，N/A 表示該表格位置不適用。從表中能看出，當(dāng)電壓增益相同時(shí)，ISLY 電容C2和二極管D1的電壓應(yīng)力明顯小于IY 源，開關(guān)管的電壓應(yīng)力也明顯小于Y 源和IY 源。當(dāng)K＝3，通過(guò)計(jì)算得G＝2.25(D＝0.167)時(shí)，Y 源和ISLY 源二極管D1電壓應(yīng)力相等，當(dāng)G>2.25 時(shí)，Y 源中二極管D1的電壓應(yīng)力大于ISLY。同理可計(jì)算當(dāng)K＝4 時(shí)，G的臨界值為1.6(D＝0.083)，當(dāng)K＝5 時(shí)，G的臨界值是1.38(D＝0.05)，即隨著K值的增大，D的臨界值越小。因?yàn)镮SLY 的占空比范圍為0～0.5，當(dāng)K值確定時(shí)，電壓增益隨著占空比的增加而升高，所以與ISLY 相比，Y 源中二極管D1的電壓應(yīng)力更大，綜上可知ISLY 源變換器能夠更好地減小器件的電壓應(yīng)力。

表1 各源電路參數(shù)比較

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證前文的理論分析，在MATLAB/Simulink中搭建電路進(jìn)行仿真，通過(guò)設(shè)置不同的K值以及占空比D，分析比較電壓增益的大小關(guān)系，不同K值可選擇的線圈匝數(shù)比如表2 所示。

表2 不同K 值所對(duì)應(yīng)的匝數(shù)比

圖4 為不同K值下，ISLY 源變換器的電壓增益曲線，從圖中可以得到，不管K取何值，占空比的范圍不變。在占空比一定時(shí)，K值越大，電壓增益越明顯。當(dāng)選定K值時(shí)，電壓增益隨著占空比的增大而升高。這意味著ISLY 源變換器可以在較寬的占空比范圍內(nèi)更加靈活地控制電壓增益。

圖4 不同K 值下的電壓增益曲線

下面選取不同K值和占空比D進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，電路參數(shù)見表3，仿真波形見圖5。

圖5 仿真結(jié)果

表3 電路參數(shù)

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)在Simulink 中搭建的仿真模型搭建實(shí)驗(yàn)電路，如圖6 所示。控制脈沖由TMS320F28335 輸出信號(hào)，全控開關(guān)選用H25R1202 型IGBT。利用示波器記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果和輸出波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4，測(cè)得輸出電壓和電容C1、C2的電壓波形如圖7、圖8所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

圖7 K＝2，D＝0.25 實(shí)驗(yàn)波形

圖8 K＝3，D＝0.35 實(shí)驗(yàn)波形

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從示波器輸出結(jié)果可以看出實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算和仿真基本一致，證明上述原理分析以及仿真實(shí)驗(yàn)的正確性。

5 結(jié)論

本文提出一種改進(jìn)型開關(guān)電感Y 源DC/DC 變換器，保留了改進(jìn)型Y 源變換器的輸入電流連續(xù)的優(yōu)點(diǎn)。該變換器的主要特點(diǎn)是引入開關(guān)電感模塊并將功率開關(guān)管從輸出側(cè)轉(zhuǎn)移到輸入側(cè)，從而達(dá)到獲取高電壓增益的同時(shí)減小了功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力的效果，而且拓寬了可調(diào)占空比的范圍，保證控制的靈活性，以便能夠更加廣泛地適用于各種分布式發(fā)電系統(tǒng)以及微電網(wǎng)等需要高電壓增益的應(yīng)用中。