一種多輸入高增益DC/DC變換器

戴俊平，張曉瑀

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

近年來，世界能源需求顯著增加，化石能源的使用增加了溫室氣體的排放，造成更多的環境污染，因此對清潔能源的需求正在上升。人們進行了大量的研究，以尋找新的能源或加強現有的技術，如光伏電池、燃料電池、超級電容器等。在電動汽車領域，燃料電池等新型能源廣泛應用，但其輸出電壓較低，無法達到電機驅動電壓的要求。而多輸入高增益變換器可以結合不同電源的優勢，具有不同的電壓和電流特性，各種電壓增益單元也被用來提高電壓轉換能力，實現最佳的經濟利用。這使得多輸入高增益DC/DC變換器受到越來越多的關注。

多輸入DC/DC變換器將各種直流電源的輸出轉換為公共直流總線的電源。對于多輸入DC/DC變換器的分析、建模和應用都有著大量的研究，這些應用包括并網集成混合動力發電系統、燃料電池、基于微電網的電信電力系統、不間斷電源以及電動和混合動力汽車。傳統的分布式電源系統使用多個單輸入變換器，其輸出連接到公共直流母線[1]。然而，這種配置相對復雜且成本高，可以用一種更簡單、更緊湊的方法有效取代幾個單輸入變換器相對復雜的設置。早期的多輸入DC/DC變換器是通過串聯輸入電壓源的方式，來獲得多輸入拓撲[2]。在這種配置中，如果一個輸入源減少，輸出電壓調節將會變得十分困難。另一種方法是將輸入電壓源與單輸入單輸出變換器的輸入端口并聯[3]。為了防止輸入電壓源一起短路，主開關必須與每個輸入源串聯。因此，只有一個輸入源可以單獨將能量傳遞給負載。文獻[4-5]中的多輸入變換器可以將功率容量或電壓水平不同的多個電源組合在一起，從而獲得穩定輸出電壓。這些拓撲結構的缺點是一次只允許一個電源將能量轉移到負載，以防止功率耦合效應。在文獻[6-7]中提出的電流饋電型多輸入變換器中，來自不同電源的能量可以通過多繞組變壓器同時轉移到負載中。但由于功率開關數量多，需要復雜的門驅動電路和控制器，因此該變換器成本高，體積大。文獻[8]中提出的多輸入DC/DC變換器在一次側采用了幾個并聯變換器，能實現高升壓，但是在一次側的每個變換器有2個電感，使設計笨重且昂貴。文獻[9]中使用了z源變換器，盡管這種拓撲結構簡單且可靠性高，但電壓源的數量被限制為2個，不能將這種拓撲擴展到多輸入源。

同時，由于各種基本DC/DC變換器升壓能力不足，高增益DC/DC變換器的應用也越來越廣泛。文獻[10]中傳統的二次型DC/DC升壓變換器可以獲得較高的電壓增益，但在輸出側功率半導體上的電壓應力與輸出電壓相當。文獻[11-12]中引入的開關電容配置能夠獲得高電壓增益，但不能實現靈活的電壓調節。文獻[13]采用耦合電感進一步提高了變換器的電壓轉換比。在文獻[14-15]中提出了基于開關電容器的有源網絡的拓撲結構，功率半導體上的電壓應力可以減少一半，但由于電路的漏感，電源開關可能會產生一個大的電壓尖峰。本文提出了一種多輸入高增益DC/DC變換器，可用于多種混合可再生電力系統，其主要特點如下。

a.該拓撲適用于較寬的功率級，可以容納任意數量的輸入源。

b.該變換器中的電源可以在1個開關周期內獨立或同時向負載提供能量，其中1個電源發生故障電路仍能正常工作。

c.該拓撲進行了優化，具有高增益的特點。

1 變換器拓撲和工作原理

變換器拓撲如圖1所示。圖1(a)由n個輸入單元、2個電感、5個電容和5個二極管組成。每個輸入單元包含1個直流源、1個開關管和1個二極管，輸入單元的個數可以根據實際情況和需求進行調整。為了簡化分析過程，接下來對含2個輸入單元的變換器進行分析。如圖1(b)所示，uin為輸入端電壓，uL1、uL2為電感L1、L2的電壓，uC1、uC2、uC3、uC4、uC5為電容C1、C2、C3、C4、C5的電壓。做以下假設。

a.電感值大到足以使流過它們的電流保持恒定。

b.所有開關器件都被認為是理想的，忽略了電路和器件寄生參數的影響。

c.輸出端電容足夠大，輸出電壓恒定。

假定電感L1和L2相等，u1=u2=uin，開關S1、S2始終閉合，二極管D1、D2反向截止。所提變換器的主要波形如圖2所示，K為占空比。經分析，該變換器在1個周期內的具體工作流程如下。

a.模態1[t0-t1]。等效電路如圖3所示，該模態中，開關S3、S4閉合，二極管D3、D4、D5、D7均關斷，二極管D6導通。電感電流iL1、iL2線性上升，L1由直流電源u1、u2充電，L2由電容C1、C2串聯充電，電容C3由電容C2、C4串聯充電。在此模態下，電容C1、C2、C4放電，電容C3充電。得到電感電壓方程。

(1)

b.模態2[t1-t2]。等效電路如圖4所示，該模態中，開關S3、S4關斷，二極管D3、D4、D5、D7均導通，二極管D6關斷。電容C1、C2由直流電源和電感L1并聯充電，電容C4由直流電源和L1、L2串聯充電，電容C4、C5由直流電源和L1、L2、C3充電。在此模態下，電感L1、L2及電容C3放電，電容C1、C2、C4、C5充電。得到電感電壓方程。

(2)

2 性能特點

2.1 輸入-輸出電壓增益

分析含2個輸入單元的變換器，根據電感L1、L2的伏秒平衡原理，可得:

(3)

進而得到含2個輸入單元變換器的輸入-輸出電壓增益比M。

(4)

由此推廣到含n個輸入單元時，電感L1、L2的伏秒平衡如下。

(5)

所以含n個輸入單元和的變換器輸入-輸出電壓增益M為

(6)

2.2 器件電壓應力

如圖2所示，開關S3、S4的電壓應力為uS3、uS4，二極管D1、D2、D3、D4、D5的電壓應力分別為uD1、uD2、uD3、uD4、uD5，電容C1、C2、C3、C4、C5的電壓應力分別為uC1、uC2、uC3、uC4、uC5，由式(3)可以得到:

(7)

(8)

(9)

2.3 器件電流應力

根據電容C1、C2、C3、C4、C5的安秒平衡原理可得:

(10)

若忽略變換器損耗，且輸入功率等于輸出功率，可得：

(11)

3 仿真分析

3.1 仿真及參數設計

為了驗證理論分析，基于MATLAB/Simulink搭建了含2個輸入單元變換器拓撲的仿真模型，具體參數設計如表1所示。

表1 主要參數設置

3.2 仿真結果分析

仿真波形如圖5所示。圖5(a)為開關管S3、S4的驅動電壓波形和輸入輸出電壓波形，開關管S3、S4的占空比為0.42，開關管S1和S2始終閉合，仿真結果與理論分析一致。圖5(b)為二極管D1、D2、D3、D4、D5的電壓波形，與理論值uD1=uD2=69 V，uD3=uD4=uD5=238 V一致。圖5(c)和圖5(d)為電容C1、C2、C3、C4、C5的電壓波形。圖5(e)為電感L1、L2的電流波形，與理論結果一致。可以看出占空比較小時就能獲得較高的增益，電路不用長時間工作在大電流的情況下，起到保護電路的作用。同時占空比可以進行寬范圍的調節，以便于更好地調節增益比。

4 結語

通過理論計算得出主電路元器件參數，運用MATLAB/Simulink仿真軟件搭建仿真模型，并根據以上仿真結果，可以看出仿真波形與理論分析值一致。

本文提出了一種新型的多輸入高增益DC/DC變換器，適用于各種輸入電壓的應用，是一種很有前景的能源多樣化的拓撲結構。該變換器中的所有電源都可以在1個開關周期內同時或單獨向負載供電，當某個輸入端發生故障時，電路仍能正常工作。同時輸入單元個數可以根據實際情況進行調節，所提拓撲具有高可靠性和高增益的特點。本文對穩態運行時的電容電壓、電感電流、二極管電壓以及電壓增益進行了研究，仿真結果對理論分析進行了驗證。未來的工作將涉及控制、電源管理以及將多種可再生能源網格化，該拓撲也能在混合動力汽車中得到廣泛應用。