一種用于直流微電網的新型高增益DC-DC升壓變換器

岳 舟，劉小荻，姚紹華，周 勇

（湖南人文科技學院 能源與機電工程學院，湖南 婁底 417000）

0 引言

直流微電網由多種分布式發電（Distributed Generation，DG）單元組成（如光伏陣列、燃料電池、超級電容和微型渦輪機等）。在直流微電網中，DC-DC變換器能夠提高輸出電壓，提供公共電壓[1]。

傳統DC-DC變換器拓撲結構，如Boost，Sepic和Zeta結構簡單，但效率較低，為了獲得高增益，需要在高占空比下工作，這導致開關器件上的應力顯著增加[2]。高增益非隔離變換器也可用于具有雙向功率流的微電網應用中[3]，文獻[4]提出了一種基于非隔離開關電容的新型升壓變換器，該變換器采用兩個電感和一個功率開關，但增益有限。文獻[5]提出了一種新的適用于可再生能源應用的改進型升壓變換器。文獻[6]提出了一種新型具有連續輸入電流的高增益Boost，Sepic變換器。文獻[7]提出了一種具有單功率開關和開關電感的高增益DC-DC變換器的廣義結構。在高電壓應力下，采用二次升壓技術提高了升壓變換器的增益[8]，但其輸出電壓等于電壓應力。因此，需要使用更高額定值的功率開關補償其電壓應力，從而產生過大的傳輸損耗[9]。

二次升壓變換器可以在非極高占空比的情況下產生高電壓。文獻[10]中提出的傳統二次升壓變換 器 （Conventional Quadratic Boost Converter，CQBC）使用單個功率開關，其電壓應力等于輸出電壓U0。文獻[11]介紹了一種倍壓電路，在二極管和開關電容的幫助下，輸出端的電壓可以顯著提高。文獻[12]介紹了一種具有正輸出電壓的新型DC-DC變換器。只使用開關電容和二極管提高增益?；隈詈想姼械耐負浣Y構，也能夠實現非常高的增益。通過調整耦合電感的匝數比可以獲得所需增益，但這會導致更高的輸入電流紋波。文獻[13]提出的高增益變換器解決了與耦合電感拓撲相關的問題。文獻[14]提出了一種新的帶電壓倍增單元（Voltage Multiplier Cell，VMC）的升壓變換器。VMC可以與Boost，Sepic和CQBC等傳統變換器結合，以提高增益。采用開關電容的VMC存在充電電流大的問題，導致額外的功率損耗。此外，當使用VMC時，元件的數量也會增加，導致變換器的成本增加以及可靠性降低。另一類變換器是交錯升壓變換器，這類變換器能在較小的占空比下產生高增益。交錯變換器的輸出端需要多個VMC來增加電壓[15]～[17]。文獻[18]提出了一種適用于太陽能光伏的三端口DC-DC變換器。文獻[19]提出了一種基于可擴展開關電感的高增益變換器，該變換器具有連續的輸入電流和降低開關間的應力，但使用了多個電感實現高增益。文獻[20]提出了一種用于直流微電網的新型混合開關電容高增益變換器。文獻[21]提出了一種用于太陽能光伏應用的改進型Sepic變換器。文獻[22]闡述并討論了一種帶VMC的升壓變換器。然而，該變換器使用了多個VMC也只能提供較低的電壓增益。文獻[23]提出了一種新的高增益變換器，它具有內置變壓器和VMC。文獻[24]提出了一種帶開關電容和倍壓器的非隔離高增益變換器。文獻[25]提出了一種新的具有倍壓器和單功率開關的QBC。文獻[26]～[28]提出了其他一些高增益變換器，雖然這些變換器具有高增益，但無源元件的數量卻很多。

本文提出一種高增益DC-DC升壓變換器。闡述了該新型變換器的拓撲結構與工作原理，對其電路參數進行了設計，分析了功率開關的電壓應力，并與其它變換器進行了比較。本文所提變換器只有4個無源元件，易于控制，具有二次增益，可以連續輸入電流，降低了功率開關上的電壓應力。最后，通過Matlab模型和試驗樣機，驗證了理論分析的正確性。

1拓撲結構和工作原理

DC-DC變換器在直流微電網中的應用如圖1所示。

圖1 光伏在直流微電網中應用的系統框圖Fig.1 The block diagram of photovoltaic application in DC microgrid

圖1中的直流母線電壓為400 V，而光伏的輸出電壓為12～48 V，所以需要高電壓增益、高效率的DC-DC變換器連接光伏電源和直流母線，以達到所需電壓。

本文所提變換器電路如圖2所示。圖中：Uin為直流輸入電源；S1，S2為功率開關；L1，L2為電感器；C1，C2為電容器；D1，D2為二極管；R為負載電阻；U0為輸出電壓。

圖2 電路拓撲結構Fig.2 Circuit topology

圖中兩個功率開關的控制信號相同。根據控制信號狀態，功率開關有導通、斷開兩種工作模式。

模式1：當兩個開關同時導通，二極管D1和D2反向偏置，其等效電路如圖3所示。

圖3 模式1等效電路Fig.3 The equivalent circuit of mode 1

在該工作模式下，兩個電容放電并將其能量分別傳輸到電感和負載，而兩個電感都存儲能量，電感電流隨后線性增加。

模式1的動態方程為

模式2：兩個開關同時關斷，兩個二極管導通，其等效電路如圖4所示。

圖4 模式2等效電路Fig.4 The equivalent circuit of mode 2

該模式下，兩個電容都會充電，而兩個電感的能量會隨著電流的減小而轉移到負載上，其動態方程為

式中：D為占空比。

由式（10）可知，本文變換器電壓增益為二次。

2 元件設計及開關應力

2.1 電感設計

2.2 電容設計

電容的選擇取決于電容兩端電壓的最小允許紋波。電容儲存的電荷為

2.3 開關電壓應力

各部件之間的電壓應力為

由式（23），（24）可以看出，通過開關S1和S2的應力小于U0。

連續導通模式下，相關波形如圖5所示。

圖5 CCM下的相關波形Fig.5 Related waveforms in CCM

3 對比分析

本文所提高增益升壓變換器與其他類似變換器進行了比較，對比的主要內容如表1所示。

表1 與其他高增益DC-DC變換器的比較Table 1 Comparison among other high gain DC-DC converters

續表1

電壓增益及電壓應力的對比如圖6所示。

圖6 與其他類似高增益DC-DC變換器的比較Fig.6 Comparison with other similar high gain DC-DC boost converters

由圖6（a）中可以看出，在D=0.65時，有10倍的增益。本文所提變換器除了具有更高的增益外，它只使用8個元件，因此導通狀態的損耗和寄生電阻都很低。由圖6（b）可以看出，變換器的兩個功率開關具有不同的電壓應力。與其他拓撲結構相比，功率開關S1的應力最低。功率開關S2上的應力小于U0，但高于S1。此外，S2的應力也小于文獻[11]，[28]中提出的變換器。由于功率器件間的電壓應力較低，本文所提變換器可以使用低功率器件。

4 仿真結果

采用Matlab軟件建立仿真模型，所用的參數如表2所示。占空比D=0.4時的仿真結果如圖7所示。

圖7 D=0.4時的仿真波形Fig.7 Simulation waveform when duty cycle D=0.4

表2 電路參數設置Table 2 Set of circuit parameter

由圖7（a）可以看出，輸出電壓U0為82 V，非常接近理論值。電容C1上的電壓為39 V，約為輸出電壓U0的1/2。由圖7（b）可以看出，變換器在連續導通模式下運行。功率開關S1上的電壓應力為40 V，功率開關S2上的電壓應力為68 V。兩個功率開關的應力都小于U0，這是對其他傳統拓撲的改進，從而減小了系統損耗，提高了效率。本文所提變換器具有連續的輸入電流，平均輸入電流Iin為2.5 A，輸入電流有一個非常低的電壓紋波，避免了對輸入濾波器的需求。

占空比D=0.65時的仿真結果如圖8所示。由圖8可以看出，輸出電壓為222 V，電壓增益約為10倍，接近理論的10倍增益。電容C1上的電壓為63 V，與理論值幾乎相同。

圖8 D=0.65時的仿真波形Fig.8 Simulation waveform when duty cycle D=0.65

5 實驗結果

本文研制一個1 W的樣機，對變換器的工作進行了測試，實驗裝置如圖9所示。

圖9 實驗裝置Fig.9 Experimental device

D=0.4時，實驗結果如圖10所示。

圖10 D=0.4時的實驗結果Fig.10 Experimental results at D=0.4

由圖10可以看出，輸出電壓U0=80 V，接近理論值。電容上的電壓為40 V，是U0的1/2。變換器在連續導通模式下運行。開關S1上的電壓應力為40 V，開關S2上的電壓應力為65 V。兩種開關的應力都小于U0，這是對其他傳統拓撲結構的改進，從而提高了效率。輸入電流Iin和輸出電流I0分別為1.5，0.4 A。

占空比D=0.65時，實驗結果如圖11所示。由圖11可以看出，輸入電壓24 V時的輸出電壓約為220 V，這也驗證了理論計算的10倍增益。電容C1上的電壓為63 V，與理論值幾乎相同。對比圖10，11可以看出，實驗結果與仿真結果基本一致，進一步驗證了理論的正確性。

圖11 D=0.65時的實驗結果Fig.11 Experimental results at D=0.65

6 結論

本文提出并分析了一種用于直流微電網的新型高增益DC-DC升壓變換器。該新型變換器具有連續的輸入電流，可以增加太陽能光伏電池板的壽命。所提變換器只使用了8個元件就能夠實現高二次電壓增益。該變換器在開關增益和電壓應力方面優于二次升壓、常規升壓和其他高增益變換器，非常適合直流微電網應用。