一種耦合電感型準(zhǔn)開關(guān)Boost變換器

房緒鵬，王曉麗，林強(qiáng)，王松

（山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266590）

近年來，日益突出的能源危機(jī)和日益加劇的環(huán)境污染，導(dǎo)致世界能源結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，光伏發(fā)電等新興可再生能源發(fā)電引發(fā)人們廣泛的關(guān)注[1-2]。這些新能源發(fā)電方式，具有低碳、環(huán)保、儲(chǔ)量巨大等優(yōu)點(diǎn)[3]，因此已成為近年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。然而，由于光伏等新能源的實(shí)際輸出電壓相比于并網(wǎng)逆變器的輸入電壓要低很多，因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)電壓的提升，需要在輸入端和負(fù)載之間加入一個(gè)直流升壓環(huán)節(jié)以滿足光伏電池的輸出電壓等級(jí)要求[4-5]。

傳統(tǒng)Boost變換器由于其控制簡單、工作原理明晰，成為使用最廣泛的升壓變換器之一。然而想要獲得較高的電壓增益，要求電路工作在極限占空比的情況下才能實(shí)現(xiàn)，在這種狀態(tài)下開關(guān)管的電壓應(yīng)力也會(huì)驟增，從而造成整個(gè)電路的器件損耗較大，降低了Boost變換器能量利用效率。為了解決這個(gè)矛盾，國內(nèi)外許多研究人員提出了多種改進(jìn)方法：1）引入開關(guān)電容技術(shù)[6-7]可以使電路拓?fù)涞碾妷涸鲆娲蠓仍黾樱秉c(diǎn)是在電容充放電的過程中電流尖峰會(huì)變大，從而增大了開關(guān)損耗；2）引入級(jí)聯(lián)式變換器結(jié)構(gòu)[8]，雖然能使變換器獲得更高的電壓增益，但卻增加了元器件的數(shù)量，不易于控制且效率較低；3）引入耦合電感技術(shù)[9]在提高變換器電壓增益的同時(shí)又避免了占空比處在較極端的情況，且成本低、可靠性高。但由于漏感的存在會(huì)使該電路的開關(guān)管兩端出現(xiàn)較大的電壓尖峰，而引入無源鉗位技術(shù)，可以有效地解決耦合電感漏感帶來的電壓尖峰問題，從而可以提高變換器的效率。現(xiàn)有技術(shù)中，準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)因其結(jié)構(gòu)簡單、升壓因子高，在直流變換領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[10]，在準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上提出的準(zhǔn)開關(guān)Boost網(wǎng)絡(luò)可以在減小系統(tǒng)體積的同時(shí)實(shí)現(xiàn)相同的升壓功能[11-12]。文獻(xiàn)[13]將開關(guān)電感和開關(guān)電容技術(shù)應(yīng)用到準(zhǔn)開關(guān)Boost網(wǎng)絡(luò)中，并提出了多開關(guān)單元的拓?fù)洌珜?dǎo)致了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

本文綜合以上多種改進(jìn)方法的優(yōu)、缺點(diǎn)，將耦合電感和開關(guān)電容結(jié)構(gòu)同時(shí)應(yīng)用到準(zhǔn)開關(guān)Boost網(wǎng)絡(luò)中，提出了一種新型的有源阻抗變換器。該電路的電壓增益可以通過調(diào)節(jié)耦合電感的匝數(shù)比n來改變，特別是小匝數(shù)比的變換器也可以獲得較大的電壓增益。該拓?fù)渲须姼兄苯舆B接到輸入電壓源，因而該變換器的輸入電流是連續(xù)的。由于該拓?fù)渲袩o源鉗位電路結(jié)構(gòu)的存在，輸出端能夠回收耦合電感漏感的能量并加以利用，因而使得開關(guān)管的電壓尖峰可以被有效地抑制，從而變換器的效率有了顯著的提高。

1 所提出變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 所提出變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1為準(zhǔn)開關(guān)升壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖1 準(zhǔn)開關(guān)升壓變換器拓?fù)銯ig.1 Topology of the quasi-switched Boost converter

本文提出的新型耦合電感型準(zhǔn)開關(guān)Boost變換器拓?fù)淙鐖D2a所示，與圖1中的準(zhǔn)開關(guān)Boost變換器相比較，所提出的新型耦合電感型準(zhǔn)開關(guān)Boost變換器在其基礎(chǔ)上增加了一個(gè)由電容C2和二極管D3組合的開關(guān)電容結(jié)構(gòu)，并將輸入側(cè)的電感用耦合電感替代。為便于分析，耦合電感可以看作是磁化電感、漏感，以及匝數(shù)比為N1：N2的理想變壓器的組合，圖2b為其等效電路。其中：N1為理想變壓器原邊匝數(shù)，N2為理想變壓器的副邊匝數(shù)，Lm為變壓器的勵(lì)磁電感，Lk為變壓器的漏感。

圖2 所提出變換器拓?fù)浼捌涞刃ЫY(jié)構(gòu)Fig.2 Topology and its equivalent structure of the proposed converter

為了便于對(duì)所提出的變換器進(jìn)行電路分析，首先假設(shè)：

1）所有元器件均看作理想器件，忽略開關(guān)管和二極管寄生電容的影響，二極管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間均為零且忽略導(dǎo)通壓降。

2）電容器的電容量足夠大且在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)其兩端的電壓保持不變。

1.2 所提出變換器的工作原理

假設(shè)電路在CCM模式下工作，開關(guān)S1，S2采用同步狀態(tài)即同時(shí)開通關(guān)斷，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)該變換器有兩種開關(guān)模態(tài)，其兩種模態(tài)等效電路圖分別如圖3a、圖3b所示。

圖3 所提出變換器在不同工作模態(tài)下的等效電路Fig.3 Equivalent circuits of the proposed converter in different operation modes

模態(tài)Ⅰ[t0—t1]：t0時(shí)刻，開關(guān)S1，S2導(dǎo)通。此時(shí)直流電壓源Uin與電容C1串聯(lián)，為漏感Lk和磁化電感Lm充電，此時(shí)兩者電流iLk，iLm線性增加，電容C1的電壓UC1減小。副邊繞組N2通過二極管D3給電容C2充電，將開關(guān)管S1兩端的電壓進(jìn)行鉗位，UC2隨之增加。二極管D2被UC1所截止，二極管D4陽極接Uin負(fù)極，承受反向電壓截止，電容C0向負(fù)載R供電。當(dāng)開關(guān)S1，S2關(guān)斷時(shí)，此模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)Ⅱ[t1—t2]：當(dāng)t=t1時(shí)刻，開關(guān)S1，S2關(guān)斷。直流電壓源Uin與原邊繞組N1串聯(lián)連接，一方面給電容C1充電，此時(shí)電流iLm，iLk線性減小；另一方面直流電壓源Uin與原邊繞組N1、電容C2、副邊繞組N2串聯(lián)連接，提供給電容C0和負(fù)載高的輸出電壓。該模態(tài)在t2時(shí)刻結(jié)束，從而進(jìn)入下一周期。

為簡化分析，忽略耦合電感初、次級(jí)漏感的影響，在模態(tài)Ⅰ[t0—t1]中，繞組N1和N2的電壓關(guān)系表達(dá)式為

在模態(tài)Ⅱ[t1—t2]中，繞組N1和N2的電壓關(guān)系表達(dá)式如下：

2 所提出變換器的穩(wěn)態(tài)分析

2.1 電壓增益的計(jì)算

開關(guān)S1，S2在一個(gè)開關(guān)周期TS內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)間為DTS（D為導(dǎo)通占空比），則開關(guān)管S1，S2關(guān)斷的時(shí)間為（1-D）TS。由電感伏秒平衡原理及式（1）、式（3）可知：

(Uin+UC1)DTS+(UC1-Uin)(1-D)TS=0（5）根據(jù)式（1）～式（4）電容C1，C2兩端的電壓可表示為

將式（7）代入式（4）中可得：

電壓增益B為

其中

n=N2：N1

式中：U0為輸出電壓；n為耦合電感匝數(shù)比。

由式（9）可以看出，當(dāng)占空比的調(diào)節(jié)范圍為0～0.5時(shí)，所提出變換器的升壓因子大于1，從而達(dá)到了升壓的目的。

圖4為所提出的變換器在匝數(shù)比n不同的情況下占空比與電壓增益關(guān)系的曲線圖。通過對(duì)比圖4中各條曲線可以看出，在占空比相等的情況下，該變換器能夠通過合理調(diào)節(jié)匝數(shù)比n來獲得更高的電壓增益。

圖4 匝數(shù)比n不同的情況下占空比與電壓增益的關(guān)系Fig.4 Relationship between duty cycle and voltage gain with different turns ration

2.2 電壓應(yīng)力的計(jì)算

根據(jù)圖3模態(tài)電路原理圖，可推導(dǎo)出開關(guān)管S1，S2及二極管D1～D4的電壓應(yīng)力分別為

3 所提出變換器的對(duì)比分析

為了更好地驗(yàn)證所提出的變換器的優(yōu)點(diǎn)，將該變換器和其他幾種相關(guān)變換器進(jìn)行比較，如文獻(xiàn)[14]中的Boost級(jí)聯(lián)式升壓變換器（boost cas?cade converter，BC-C）、文獻(xiàn)[15]中的交錯(cuò)耦合電感變換器（staggered coupling induct converter，SCI-C）、文獻(xiàn)[16]中的含有源開關(guān)電感和無源開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)變換器（active switched-inductor and passive switched-capacitor converter，ASI/PSC-C），結(jié)果如表1所示。表1中概述了電路中一些重要參數(shù)，如元器件數(shù)量、開關(guān)管電壓應(yīng)力、以及電壓增益。

表1 所提出變換器與其他變換器的對(duì)比Tab.1 Comparison of the proposed converter with other converters

3.1 元器件數(shù)量

由表1可知，與SCI-C相比，所提變換器中主要元件數(shù)目減少了，進(jìn)而簡化了控制策略，并且該變換器通過引入耦合電感使得升壓效果更加明顯。ASI/PSC-C是通過同時(shí)引入開關(guān)電感、電容結(jié)構(gòu)，增加了該電路的電壓增益，本文所提出的變換器雖然比它多了2個(gè)二極管器件，但卻比ASI/PSC-C升壓能力更高。

3.2 升壓能力

所提變換器電路最大的優(yōu)點(diǎn)就是其升壓能力。電壓增益比較如圖5所示。

圖5 電壓增益比較Fig.5 Comparison of voltage gain

從圖5中可以看出，當(dāng)占空比D的范圍在0～0.155時(shí)，所提出變換器電壓增益僅略低于SCIC，而當(dāng)D在0.155～0.5時(shí)，該電路的升壓能力遠(yuǎn)大于相同占空比的其他三個(gè)電路，且在此范圍內(nèi)，所提出變換器的電壓增益隨著占空比的增大，其升壓效果越好。因此，所提出的變換器僅需較短時(shí)間就能輸出較高的電壓增益，有利于提高全控型器件的轉(zhuǎn)換效率。

3.3 開關(guān)管電壓應(yīng)力

開關(guān)管電壓應(yīng)力在開關(guān)器件選型時(shí)起著重要作用。圖6為四種變換器的開關(guān)管電壓應(yīng)力對(duì)比曲線圖，從圖6中可知，所提出變換器的開關(guān)管電壓應(yīng)力在其他幾種變換器中相對(duì)較低，因此，在器件選型時(shí)可以選用低導(dǎo)通電阻器件，從而提升了變換器的工作效率，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖6 開關(guān)管電壓應(yīng)力比較Fig.6 Comparison of switch voltage stress

4 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述理論分析的合理性，根據(jù)圖2a利用Matlab/Simulink構(gòu)建了仿真模型，在仿真電路基礎(chǔ)上，搭建了實(shí)驗(yàn)電路。

電路中的主要參數(shù)如下：輸入電壓Uin=24 V；電容器C1=470 μF；電容器C2=470 μF；濾波電容C0=820 μF；勵(lì)磁電感及漏感分別為100 μH，2 μH；功率電阻R=100 Ω；匝數(shù)比為1：1；導(dǎo)通占空比D=0.2；開關(guān)頻率fs=50 kHz；二極管D1～D4的型號(hào)為SR5100；開關(guān)管的型號(hào)為H25R1202；核心控制器為DSPTMS28335。仿真結(jié)果如圖7所示，利用MSO-X 3034A示波器記錄的實(shí)驗(yàn)主要波形如圖8所示。

圖7 仿真波形圖Fig.7 Simulation waveforms

由圖8可知，電容器C1的電壓UC1約為40 V，電容器C2的電壓UC2約為100 V，輸出電壓U0約為150 V。考慮到實(shí)驗(yàn)所用器件自身損耗，在誤差允許的范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)值與理論計(jì)算結(jié)果大致相同，驗(yàn)證了此變換器的可行性。

圖8 實(shí)驗(yàn)波形圖Fig.8 Experimental waveforms

5 結(jié)論

本文提出了一種電壓增益較高、能應(yīng)用于新能源發(fā)電的Boost變換器拓?fù)潆娐罚敿?xì)介紹了該變換器的工作原理并對(duì)其穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行了分析，同時(shí)與其它相似變換器進(jìn)行了對(duì)比。最后，在實(shí)驗(yàn)室搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了所提出變換器理論分析的正確性。結(jié)果表明，該變換器具有輸入電流穩(wěn)定連續(xù)、升壓性能優(yōu)良等特點(diǎn)。此外，該電路在占空比允許的范圍內(nèi)能夠通過合理改變?cè)褦?shù)比來提高電壓增益，因此，該變換器可廣泛應(yīng)用于新能源發(fā)電領(lǐng)域。