一種含吸收回路的高增益準Π 源變換器*

房緒鵬，張勝男，王煦超，孫翔飛

(山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590)

隨著人類文明的快速發(fā)展，全球的不可再生能源呈現(xiàn)出緊缺狀態(tài)，各個國家都在積極地開發(fā)可持續(xù)發(fā)展的清潔能源，其中以風能、太陽能、燃料電池、潮汐能等為代表的可再生新能源受到廣泛關(guān)注。但是新能源發(fā)電通常存在輸出電壓不穩(wěn)定及輸出電壓低等缺點，因此需要高增益DC-DC 變換器進一步提高輸出電壓。雖然傳統(tǒng)BOOST 變換器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、輸出效率高等優(yōu)點，但由于其存在著電壓增益過低、傳導損耗較大、電容電壓應力大與輸出效率過低等缺點，該變換器在可再生能源系統(tǒng)中的應用受到限制。而傳統(tǒng)變換器由于死區(qū)時間的加入使得輸出波形含有大量諧波從而使輸出波形發(fā)生嚴重畸變[1-2]。為解決傳統(tǒng)變換器的缺點，2002 年彭方正教授[3]提出了Z 源阻抗網(wǎng)絡(luò)并將其應用在變換器中。Z 源變換器(ZSC)升壓范圍大、電壓增益靈活，且開關(guān)管的控制無需加入死區(qū)時間，降低了波形畸變率，提高了變換器的輸出電能質(zhì)量。但它仍存在著輸入電流不連續(xù)、沖擊電流較大與升壓能力不足等缺點。為解決這一系列問題，國內(nèi)外學者隨之又提出了準Z 源變換器(Q-ZSC)[4]、串聯(lián)型Z 源變換器(S-ZSC)、開關(guān)電感型Z 源變換器(SL-ZSC)、Trans-Z 源變換器[5]、Γ-Z 源變換器[6]與TZ 源變換器[7]等一系列新型Z 源變換器。

2014 年，文獻[8]提出了Y 源網(wǎng)絡(luò)拓撲并驗證了其可行性。盡管與傳統(tǒng)阻抗源變換器相比，Y 源變換器在設(shè)置電壓增益和調(diào)制系數(shù)方面具有更高的靈活性，但是由于耦合漏感，該變換器會產(chǎn)生較大的電壓尖峰，因此2017 年，文獻[9]進一步提出了Δ源阻抗網(wǎng)絡(luò)。Δ 源變換器與Y 源變換器優(yōu)點相似且具有更小的漏感，但由于Δ 型耦合電感構(gòu)成的回路內(nèi)部存在環(huán)流，進而增加鐵芯損耗，另外輸入電流不連續(xù)等問題仍未解決。2019 年，文獻[10]提出了Π 源阻抗網(wǎng)絡(luò)，該拓撲在Δ 源阻抗網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上改進而來，由Π 型三繞組耦合電感代替Δ 型耦合電感組成。Π 源變換器升壓原理與Y 源變換器和Δ 源變換器基本一致，可通過改變直通占空比或調(diào)整耦合電感匝數(shù)比等方式實現(xiàn)升壓，其升壓能力遠超Z源變換器。Π 源變換器具有更小的磁芯尺寸、更寬的負載范圍和更小的環(huán)流等優(yōu)點，但仍存在輸入電流不連續(xù)、升壓能力弱、啟動電流相對較大等缺點。且Π 源變換器具有耦合電感網(wǎng)絡(luò)變換器均存在的缺點，即漏感對輸出的影響很大。而漏感導致的母線電壓尖峰問題嚴重影響著變換器的正常運行與輸出效率[11]。

針對傳統(tǒng)耦合電感網(wǎng)絡(luò)變換器中漏感所導致的母線電壓尖峰問題，本文結(jié)合LCD 吸收回路的結(jié)構(gòu)特點，在對準Π 源變換器研究的基礎(chǔ)上提出了一種含吸收回路的準Π 源變換器拓撲[12-15]。該拓撲的優(yōu)點是在保持高電壓增益的同時能夠抑制母線電壓尖峰，且元器件的電壓應力明顯降低。在本文中對新提出的拓撲進行了理論分析與數(shù)學推導，最后通過仿真和實驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

1 變換器拓撲和直流鏈電壓分析

1.1 準Π 源變換器原理分析

準Π 源變換器(I-ΠSC)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示，準Π 源變換器在原有Π 源變換器拓撲上增加了一個輸入電感L和電容C3。和其他準Z 源DC-DC變換器一樣，準Π 源變換器也分為直通和非直通兩種工作狀態(tài)。該電路拓撲不僅克服了Π 源逆變器輸入電流不連續(xù)以及啟動沖擊電流大的缺陷，并且具有升壓能力更高、磁芯尺寸更小等優(yōu)點。

圖1 I-ΠSC 拓撲結(jié)構(gòu)

圖2 所示為準Π 源變換器(I-ΠSC)在以下情況的等效電路:①非直通狀態(tài)；②直通狀態(tài)，其中Lk為Π 型耦合電感結(jié)構(gòu)的漏感。在理想穩(wěn)定狀態(tài)下(直通或非直通狀態(tài))，I-ΠSC 的漏感相對于勵磁電感可以忽略不計，因此可以忽略此時漏感對電路的影響。但是變換器在切換狀態(tài)時由于繞組電流的快速變化，通過漏感電壓的計算公式可以分析出此時漏感電壓變化很大，因此產(chǎn)生了直流鏈電壓尖峰。

圖2 I-ΠSC 拓撲結(jié)構(gòu)等效電路

設(shè)V＇Lm表示磁化電感Lm非直通狀態(tài)下的電壓，VLm表示Lm直通狀態(tài)下的電壓，Vpn表示直流鏈電壓。在直通狀態(tài)時，準Π 源變換器可以在直通占空比Dst內(nèi)實現(xiàn)升壓操作，此時開關(guān)器件S 導通，二極管D1被箝位關(guān)斷。反之在非直通狀態(tài)時，此時開關(guān)器件S 關(guān)斷，二極管D1承受正向壓降處于導通狀態(tài)。

當開關(guān)器件S 關(guān)斷時，圖2(a)中表示了非直通狀態(tài)時的等效電路。此時直流電源Vin輸入電感L以及耦合電感網(wǎng)絡(luò)一邊向電容C1～C3進行充電，一邊向負載供電。由KVL 定理可得電壓關(guān)系式如下:

當開關(guān)器件S 導通時，圖2(b)中表示了直通狀態(tài)時的等效電路。電源Vin和電容C3對電感L充電，電容C1、C2向耦合電感充電。由KVL 定理可得電壓關(guān)系式如下:

式中:N1、N2和N3分別是Π 型耦合電感的匝數(shù)值，應用電感伏秒平衡公式，可得兩種狀態(tài)下的磁化電感Lm和電感L電壓應滿足:

聯(lián)立式(1)～式(9)可解得電容C1～C3的電壓關(guān)系式以及直流鏈電壓Vpn與輸入電壓Vin的電壓關(guān)系式:

式中:耦合電感繞組系數(shù):

由式(13)可推出準Π 源變換器的升壓因子B為:

要使式(15)有意義，此式分母必須大于0，即1-(1+K)D＞0，可得直通占空比D的范圍為:

1.2 改進型準Π 源變換器拓撲結(jié)構(gòu)及吸收回路原理分析

準Π 源變換器雖具有非常突出的優(yōu)勢，但也存在很多不足。本文結(jié)合LCD 吸收回路的結(jié)構(gòu)特點，在準Π 源變換器的基礎(chǔ)上提出了具有母線電壓尖峰吸收能力的改進型準Π 源升壓變換器拓撲(SI-ΠSC)。如圖3 所示，該拓撲在箝位二極管的基礎(chǔ)上增加了2 個電容1 個電感，圖中虛線部分為吸收回路。SI-ΠSC 的等效電路圖如圖4 所示。

圖3 SI-ΠSC 拓撲結(jié)構(gòu)

圖4 SI-ΠSC 拓撲結(jié)構(gòu)等效電路

通過對I-ΠSC 的分析可知，變換器在狀態(tài)切換的過程中由于漏感的存在會產(chǎn)生電壓尖峰。與IΠSC 相比，當SI-ΠSC 由直通狀態(tài)切換到非直通狀態(tài)時二極管D1、D3導通，突然增大的電流除了流向耦合電感外還可以被電容C3和C4吸收。此時C3和C4組成的串聯(lián)電路箝位了直流鏈上的電壓Vpn，因此抑制了母線電壓尖峰。

與I-ΠSC 相同，SI-ΠSC 的工作模式也存在直通模式與非直通模式兩種。如圖4 所示，當電路工作在非直通模式時，電感L1、L2與耦合電感向電容C1～C5及負載供電，列寫KVL 方程得:

當電路工作在直通狀態(tài)時，電容C1～C3和C5對耦合電感及電感L1充電，電容C4與電源Vin對電感L2充電，列寫KVL 方程得:

應用電感伏秒平衡公式，可得兩種狀態(tài)下的磁化電感Lm和電感L1、L2電壓應滿足:

聯(lián)立可解得電容C1～C5的電壓關(guān)系式以及直流鏈電壓Vpn與輸入電壓Vin的電壓關(guān)系式:

式中:由于SI-ΠSC 與I-ΠSC 具有相同的Π 型耦合電感結(jié)構(gòu)，因此繞組系數(shù)K保持不變。由式(34)可推出準Π 源變換器的升壓因子B為:

要使式(35)有意義，此式分母必須大于0，即1-(2+K)D＞0，可得直通占空比D的范圍為:

將式(15)和式(35)相比可以明顯看出SI-ΠSC的升壓因子相比起I-ΠSC 的升壓因子得到了進一步的提高，所以SI-ΠSC 的升壓能力更強。表1 所示為各類型變換器升壓因子對比。

表1 各種變換器升壓因子的比較

圖5 為升壓因子B與直通占空比D和繞組系數(shù)K之間的三維函數(shù)圖，可以明顯看出SI-ΠSC 的升壓能力更強。在SI-ΠSC 與I-ΠSC 繞組系數(shù)相同的情況下，兩者達到相同的輸出電壓，SI-ΠSC 所需直通占空比更小，開關(guān)管的導通損耗更小。

圖5 兩種準Π 源變換器升壓能力對比

3 電壓應力分析

表2 所示為I-ΠSC 與SI-ΠSC 電容和二極管電壓應力的對比。從表2 中可以看出，SI-ΠSC 上電容C1～C3兩端的電壓應力均比I-ΠSC 電容C1的電壓應力小。

表2 I-ΠSC 與SI-ΠSC 元器件電壓應力對比

為了對比方便可以取K＝3，將K＝3 代入式(35)可得:

由式(38)可得SI-ΠSC 占空比與升壓因子的關(guān)系為:

將式(38)與K＝3 代入到式(29)至式(33)中可以得到SI-ΠSC 電容兩端電壓與輸入電壓的比值與升壓因子B之間的關(guān)系:

同理，由式(15)可得出I-ΠSC 直通占空比和升壓因子的關(guān)系:

將式(41)與K＝3 代入到式(10)至式(12)中可以得到I-ΠSC 電容兩端電壓與輸入電壓的比值與升壓因子B之間的關(guān)系:

根據(jù)式(39)至式(44)作出函數(shù)圖，如圖6 所示。圖6 顯示了K＝3 時升壓因子B和電容電壓應力的關(guān)系。從圖中可以看出在電壓增益相同的情況下，SI-ΠSC 上C1-C4兩端的電壓應力均小于I-ΠSC上C1-C3兩端的電壓應力。而聯(lián)立式(41)和式(44)可得，升壓因子B約大于2.82 時，SI-ΠSC 上C5兩端的電壓應力也將小于I-ΠSC 上C1-C3兩端的電壓應力。

圖6 SI-ΠSC 與I-ΠSC 電容電壓應力對比

4 仿真及實驗結(jié)果對比

為驗證上述理論分析的正確性，運用MATLAB/Simulink 軟件對I-ΠSC 和SI-ΠSC 進行仿真和實驗。

根據(jù)式(13)和式(34)以及表3 中的仿真參數(shù)得到I-ΠSC 和SI-ΠSC 電壓尖峰對比圖。I-ΠSC 和SI-ΠSC 輸入電壓都為24 V，為使I-ΠSC 和SI-ΠSC得到相同的輸出電壓從而更直觀地對比電壓尖峰:選取I-ΠSC 的占空比D為0.15、繞組系數(shù)為3，得到圖7(a)；選取SI-ΠSC 的占空比D為0.12、繞組系數(shù)為3，得到圖7(b)；選取SI-ΠSC 的占空比D為0.15、繞組系數(shù)為2，得到圖7(c)。圖7(a) 與圖7(b)的K相同而D不同，圖7(a)與圖7(c)的K不同而D相同。

表3 仿真和實驗參數(shù)

圖7 I-ΠSC 和SI-ΠSC 直流鏈電壓尖峰對比

當輸入電壓為24 V 時，I-ΠSC 的直通占空比取0.15，SI-ΠSC 的直通占空比取0.12，兩者母線電壓相同均為60 V 左右，證明了SI-ΠSC 能夠在直通占空比較小的情況下具有相同的電壓增益，因此SI-ΠSC 的升壓能力更強。SI-ΠSC 的直流母線電壓波形平穩(wěn)，證明了SI-ΠSC 電壓尖峰得到了有效抑制。通過對圖7 中I-ΠSC 和SI-ΠSC 的直流鏈電壓尖峰仿真波形對比可以看出SI-ΠSC 具有母線電壓尖峰抑制能力。

圖8 所示為I-ΠSC 和SI-ΠSC 輸出電壓對比圖，可以看出SI-ΠSC 的穩(wěn)定速度更快，動態(tài)響應特性更好。通過圖7 和圖8 的比較可以看出由于沒有吸收回路，I-ΠSC 直通狀態(tài)到非直通狀態(tài)時會產(chǎn)生很大的尖峰電壓，該電壓幅值與漏感和電流變化量成正比。當母線尖峰電壓過大時，將擊穿開關(guān)器件甚至可能造成元器件損壞，導致變換器增益達不到理想值。

圖8 I-ΠSC 和SI-ΠSC 輸出端電壓對比

圖9 所示為I-ΠSC 和SI-ΠSC 電容器仿真波形圖?？梢钥闯鲈谶_到同樣的輸出電壓情況下，SI-ΠSC 電容器所承受的電壓應力較小，且SI-ΠSC雖然比I-ΠSC 多兩個電容，但其電容兩端的電壓應力在K取3 時均小于I-ΠSC 中的電容，仿真結(jié)果與理論計算值基本一致。

圖9 I-ΠSC 和SI-ΠSC 電容器仿真波型圖

圖10 所示為I-ΠSC 和SI-ΠSC 輸出端實驗電壓波形圖。通過輸出實驗電壓的對比可以看出SIΠSC 加入吸收回路后波形的毛刺現(xiàn)象減少，證明了前文理論分析的正確性。

圖10 I-ΠSC 與SI-ΠSC 輸出端實驗電壓波形圖

圖11 所示為I-ΠSC 和SI-ΠSC 電容電壓實驗波形圖。在直通占空比相同的情況下，SI-ΠSC 的電壓增益要高于I-ΠSC，且SI-ΠSC 的電壓應力更小。考慮到元器件自身及漏感等影響因素，實驗誤差在合理范圍內(nèi)。實驗結(jié)果與理論值及仿真結(jié)果基本一致，證明了前文理論分析的正確性。

圖11 I-ΠSC 與SI-ΠSC 電容器電壓實驗波形圖

圖12 所示為SI-ΠSC 在不同功率下的工作效率曲線。從圖中可以看出隨著功率的增加，SI-ΠSC 的工作效率也會隨之提高。而開關(guān)通態(tài)損耗所占比重會隨著功率的提高而降低，因此本文提出改進型準Π 源變換器適用于大功率場合。

圖12 SI-ΠSC 工作效率曲線

圖13 所示為含吸收回路的準Π 源變換器實驗樣機。

圖13 實驗樣機

5 結(jié)論

本文提出了一種含吸收回路的高增益準Π 源變換器，結(jié)合了準Z 源變換器、LCD 吸收回路與箝位二極管的原理與結(jié)構(gòu)，在抑制了母線電壓尖峰的同時降低了元器件電壓應力，并提高了輸出電壓增益。隨后的理論推導論證了SI-ΠSC 結(jié)構(gòu)的正確性，仿真與實驗驗證了SI-ΠSC 的可行性。它可廣泛適用于分布式發(fā)電系統(tǒng)及微電網(wǎng)等需要高電壓增益及大功率的場合。