適用于光伏發電系統的新型高增益DC/DC變換器

劉文琪，丁穩房

(湖北工業大學電氣與電子工程學院，湖北武漢430068)

近年來，全球氣候變暖問題引發了強烈關注，為減少二氧化碳排放，科學家們持續努力開發綠色能源技術。太陽能和氫能發電是綠色清潔的，可以部分替代化石能源發電。太陽電池輸出電壓會隨發電條件變化而產生波動；燃料電池輸出性能與其所連接的負載有關。

實際應用中的兩種微源需要在輸出端接入一級高增益DC/DC 變換器[1-2]。文獻[3]提出了級聯式變換器，這是一種直接有效的提升變壓器電壓增益思路，但前后重復的連接方式增加了電路的成本，且損耗較大，不利于提升變換器的功率密度；文獻[4]在基本Boost 變換器的基礎上引入了耦合電感和開關電容技術，獲得了比常規升壓變換器更大的升壓轉換比，但是在超高電壓增益的應用中，需要使用更多的器件數量，增加了變換器設計的復雜性以及成本；文獻[5]利用耦合電感在基本的開關電容型Boost 變換器的基礎上進行了改進；文獻[6]將半波電壓倍增單元添加至集成的箝位電路中以進一步提高電壓增益。該變換器可以在正激和反激模式下工作，因此提高了磁芯的利用率，但是開關管的電壓應力很高。文獻[7]通過觀察無源箝位型耦合電感Boost 變換器的結構，提出了耦合電感、開關管以及輸入電壓源三者組成的功率單元，且基于該功率單元提出了對應的高增益DC/DC 變換器，但是電壓增益有限。

相比其他文獻所提變換器，本文基于已提出的功率單元概念，構造了一種新型的高增益DC/DC 變換器，在提升電壓增益的同時減輕了元器件的電壓應力。文中分析了變換器的工作原理和性能特征，制作了500 W 的實驗樣機對所提變換器的穩定性及可行性進行了測試。

1 變換器拓撲結構及原理

1.1 變換器拓撲

本文在文獻[7]基本功率單元結構基礎上，提出新型高增益DC/DC 變換器拓撲方式，其等效電路見圖1。

圖1 中電路由直流輸入電壓源(Ui)、開關管(Q)、二極管(D0，D1，D2和Dc)、電容(C0，C1，C2和Cc)、負載電阻(Ro)、變比為Np∶Ns的耦合電感L組成，耦合電感采用漏感Lk、勵磁電感Lm以及理想變壓器組成的模型。

圖1 所提變換器的等效電路

在理論分析時假設條件是：功率器件上的寄生參數及損耗均忽略不計；所有電容的容值足夠大；在一個開關周期內其電壓紋波為零。

1.2 變換器工作原理

圖2 為變換器在一個開關周期內的主要工作波形，圖3為變換器在每個工作模態時對應的電流路徑以及等效電路。

圖2 變換器的工作波形

(1)工作模態1：t0～t1

如圖3(a)所示，開關管Q 開通，直流電壓源Ui通過開關管給漏感Lk儲能，電流iLk線性增大，勵磁電感仍處于放電狀態。在t=t1時刻，漏感電流iLk與勵磁電感電流iLm兩者大小相等，流過二極管D0的電流自然到零，二極管D0關斷，該模態結束。

(2)工作模態2：t1～t2

如圖3(b)所示，開關管Q 導通，漏感電流iLk和勵磁電感電流iLm均繼續保持線性上升。耦合電感的副邊繞組Ns與電容Cc、C2串聯對C1進行充電。此時負載Ro的能量由輸出電容Co提供。

(3)工作模態3：t2～t3

如圖3(c)所示，開關管Q 關斷，漏感Lk的能量通過二極管Dc被電容Cc所吸收，削弱了開關管關斷時漏、源極間的電壓震蕩。在t=t3時刻，勵磁電感電流iLm上升至與漏感電流iLk相等時，流過二極管D1的電流自然到零，該模態結束。

(4)工作模態4：t3～t4

如圖3(d)所示，勵磁電感電流iLm與漏感電流iLk線性下降。與此同時，直流電壓源Ui、電容C1、耦合電感的原邊繞組Np和副邊繞組Ns串聯向負載Ro與輸出電容Co提供能量。

(5)工作模態5：t4～t5

如圖3(e)所示，在t=t4時刻，漏感Lk的能量釋放完畢，漏感電流iLk變為零。直流電壓源Ui、電容C1及耦合電感副邊繞組Ns串聯向負載Ro與輸出電容提供能量。在t=t5時刻，開關管Q 重新導通，下一個開關周期開始。

圖3 各個模態的等效電路

2 變壓器穩態性能分析

2.1 電壓增益

為簡化分析過程，不考慮由漏感所造成的模態1 和3 這兩個短暫的開關模態，僅對模態2、4、5 這三個模態進行分析。

當開關管Q 開通時，有以下方程成立：

開關管Q 處于關斷狀態，可得如下方程：

在一個開關周期內，根據勵磁電感Lm的伏秒平衡可得到各個電容兩端電壓以及變換器電壓增益M的表達式為：

2.2 電壓應力

根據各個開關模態的等效電路圖，得到開關管Q 和二極管D0、D1、D2、Dc的電壓應力表達式如下：

2.3 電流應力

利用電容在一個開關周期內流過的平均電流為零的特點，可以計算出功率器件承受的電流應力如下：

3 所提變換器的對比分析

表1 為不同變換器之間的性能對比，從表中公式可以看出，在匝比一定時，本文提出的變換器能夠以較低的占空比實現相同甚至更高的電壓增益，有利于變換器在適當的占空比下工作，且此時功率器件的電壓應力更小，便于選擇傳導損耗較低的開關管而反向恢復速度快的二極管。

表1 變換器性能對比分析

4 實驗

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500 W 的實驗樣機，樣機的實驗參數為：輸入電壓Ui=40 V，輸出電壓Uo=380 V，額定功率Po=500 W，開關頻率fs=50 kHz，勵磁電感Lm=75 μH，漏感Lk=3.1 μH，匝比N=Ns∶Np=28∶15。圖4(a)～(d)為所提變換器在輸出電阻負載Ro=500 Ω 時測得的實驗波形。

圖4(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。顯然，變換器在占空比D為0.58 時，輸出電壓達到了380 V，與式(9)的電壓增益理論值基本一致；圖4(b)～(c)為變換器開關管和二極管端的電壓、電流波形。開關管Q 與二極管D1的電壓應力基本相等，約為96 V，符合式(11)的理論推導；圖4(d)為輸入電壓、輸出電壓以及電容兩端電壓波形。電容Cc、C1、C2兩端承受的電壓應力依次為：52、231 和100 V，其實際值與式(6)～式(7)的理論值保持一致。

圖4 變換器實驗波形及實物圖片

圖4(e)為變換器在不同輸入電壓值時的效率測量曲線。可以看出，輸出功率線性增加時，變換器的效率呈現出先上升后降低的趨勢。在Ui=50 V，Po=300 W 時，最大效率達到了94.5%；Ui=50 V，Po=500 W 時，效率為92.56%。測量結果表明所提變換器可以實現高效率轉換。圖4(f)為在實驗室制作的樣機原型。

5 結論

本文提出了一種新型的單相、單開關高增益DC/DC 變換器。所提變換器與其他文獻提出的變換器相比具有更高的電壓增益以及更低的開關管電壓應力，并且由于無源箝位電路的存在，使得漏感能量得到了合理利用，最后的實驗結果也表明了所提變換器性能的優越性。針對上述優點，所提變換器非常適用于新能源發電系統。