一種用于直流微網(wǎng)的非隔離型高增益光伏變換器*

申九菊

(河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450000)

目前，煤炭和石油等常規(guī)能源發(fā)電，導(dǎo)致全球溫室效應(yīng)和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。同時(shí)，能源短缺和污染問題是工業(yè)發(fā)展的主要障礙[1]。對(duì)此，光伏和氫燃料電池等清潔能源被得到廣泛關(guān)注，并成為研究熱點(diǎn)[2]。但是由于部分地區(qū)的光照不足等環(huán)境因素，導(dǎo)致光伏發(fā)電量減少，并且當(dāng)前技術(shù)能源轉(zhuǎn)換效率低。

對(duì)此，在光伏系統(tǒng)中，最大功率點(diǎn)跟蹤算法用于增加光伏出力，并提升效率。同時(shí)，為提高系統(tǒng)整體性能，高增益DC-DC 變換器用于提升電壓等級(jí)，以滿足并網(wǎng)需求[3]。目前，高增益DC-DC 變換器由于低輸入電壓、高涌入電流和電壓增益等問題導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率難以優(yōu)化。鑒于此，文獻(xiàn)[4-7]研究了一系列基于傳統(tǒng)Boost 變換器的改進(jìn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電壓增益得到明顯提升。但是該類變換器在高增益場(chǎng)合存在較大的電流紋波，導(dǎo)致傳導(dǎo)損耗增加。此外，由于電感值的原因，大多數(shù)高增益變換器都會(huì)受到高輸入電流的影響。為了消除上述變換器不足，文獻(xiàn)[8]提出了一種基于超高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的DC-DC變換器，輸出側(cè)紋波得到優(yōu)化，且降低了功率開關(guān)管出現(xiàn)的電壓應(yīng)力，但需額外的諧振單元以保證較高的轉(zhuǎn)換效率。有學(xué)者同時(shí)利用耦合電感和開關(guān)電容以實(shí)現(xiàn)電壓高增益，保證變換器效率[9]。然而，在高電壓增益運(yùn)行期間，功率器件中依然存在較大的電流紋波，造成較高的導(dǎo)通損耗[10]。與此同時(shí)，開關(guān)管電壓幾乎等于變換器的輸出電壓。對(duì)此，學(xué)者利用交錯(cuò)式升壓變換器來抵消較高的開關(guān)應(yīng)力問題，但存在二極管的反向恢復(fù)問題[11]。

鑒于上述研究的不足，本文在單端初級(jí)電感變換器(Single Ended Primary Inductance Converter，SEPIC)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了一種高靜態(tài)增益、低開關(guān)應(yīng)力變換器。與其他變換器相比，該方法降低了電感的輸入涌流，具有更快的穩(wěn)定時(shí)間。同時(shí)，與傳統(tǒng)Boost 變換器相比，改進(jìn)型SEPIC 變換器的靜態(tài)增益是傳統(tǒng)Boost 變換器的兩倍，并且開關(guān)電壓應(yīng)力為輸出電壓的一半。本文章節(jié)安排:第2 節(jié)描述了DC-DC 變換器運(yùn)行模態(tài)，并比較了Boost 和SEPIC 及其優(yōu)缺點(diǎn)。第3 節(jié)介紹了所提變換器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。在第4 節(jié)中，簡要說明了各種DC-DC變換器的分析結(jié)果。第5 節(jié)搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并對(duì)所提變換器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 本文所提變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)SEPIC 變換器由兩個(gè)電感器組成，可分別運(yùn)行在升壓或降壓模式，具有寬輸入電壓、高增益特性，如圖1(a)所示。其通過電容C1和電感L1傳遞能量，因此，開關(guān)管電壓幾乎等于輸入和輸出電壓之和。與Boost 變換器相比，SEPIC 變換器輸入電流峰值較低，但電壓應(yīng)力較高。

圖1 所提逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Gules 等[12]使用二極管D1和電容器C2對(duì)傳統(tǒng)的SEPIC 變換器進(jìn)行改進(jìn)，如圖1(b)所示。該拓?fù)渫ㄟ^元器件復(fù)用將SEPIC 和Boost 變換器整合，使用Boost 變換器的輸出電壓對(duì)C1電容器充電，從而提高了電壓增益。電壓增益是Boost 變換器的兩倍，而開關(guān)管電壓降低到Boost 變換器的一半。在這種情況下，輸入電感器L1的峰值電流很高，因此需要一個(gè)大的輸入電感器。

本文在上面兩種SEPIC 變換器的基礎(chǔ)上推理演繹，提出了一種高性能、低輸入峰值電流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1(c)所示。該變換器由一個(gè)開關(guān)管S、兩個(gè)電感器L1和L2、兩個(gè)二極管D1和D2以及三個(gè)電容器C1、C2和C3組成。其可以在Boost 和SEPIC模式的組合下工作，但輸出電容器的連接略有修改，電容器C2和C3的電壓之和等于變換器的輸出電壓。所提變換器降低了電感器L1的峰值電流和開關(guān)管電壓應(yīng)力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高電壓增益。

2 工作原理

2.1 模態(tài)分析

所提變換器有兩種工作模態(tài)，各模態(tài)的等效電路如圖2 所示。為了簡化分析，對(duì)所提變換器做出以下假設(shè)，所有元器件都是理想的；所有電容器都足夠大，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電容兩端電壓保持恒定。

圖2 所提逆變器的工作模態(tài)

模態(tài)1:如圖2(a)所示，開關(guān)管S 導(dǎo)通時(shí)，二極管D1和D2關(guān)斷，輸入電壓Vin給電感L1充電，電感L1的電流上升；電容C3電壓vC3大于電容C1電壓vC1，由電壓差vC3-vC1給電感L2充電，電感L2的電流上升。能量存儲(chǔ)在電感器L1和L2中。電感L1、L2兩端電壓和二極管D1、D2截止電壓應(yīng)力分別為:

模態(tài)2:如圖2(b)所示，當(dāng)開關(guān)管S 關(guān)斷時(shí)，二極管D1、D2導(dǎo)通，輸入電壓Vin、電感L1和電容C1串聯(lián)向負(fù)載供電，電感L2通過二極管D2續(xù)流，給C2充電，輸入電壓Vin、電感L1通過二極管D1向電容C3充電。電感L1、L2兩端電壓和開關(guān)管S 的截止電壓應(yīng)力分別為:

2.2 穩(wěn)態(tài)分析

假設(shè)變換器工作在CCM 模式下，關(guān)鍵工作波形如圖3 所示。

圖3 所提逆變器關(guān)鍵工作波形

所提變換器輸出電壓等于電容器C2和C3的電壓之和:

在一個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)，根據(jù)伏秒平衡原理，電容器C3兩端電壓vC3可由下式計(jì)算得出:

式中:D為占空比。該電壓等于傳統(tǒng)Boost 變換器的輸出電壓。

旅游部門對(duì)信息資源實(shí)施管理工作的過程中，整理信息時(shí)，應(yīng)該保證信息的準(zhǔn)確性、真實(shí)性和及時(shí)性。由于旅游行業(yè)受到季節(jié)的影響較大，相關(guān)信息會(huì)呈現(xiàn)變化的狀態(tài)，冬季和夏季的信息就存在較大的差異性[3]。信息是旅游部門開展工作的主要依據(jù)。因此，信息管理人員應(yīng)該及時(shí)收集有效的信息，并從中篩選出對(duì)工作有用的信息，對(duì)其進(jìn)行深入的分析、管理和研究，對(duì)網(wǎng)站上的信息進(jìn)行及時(shí)更新。這樣的工作方式不僅能保證游客從網(wǎng)站上所獲得的信息是真實(shí)有效的，還能借助信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)工作效率的提升。科學(xué)管理信息資源是旅游管理工作中不可缺少的組成部分，應(yīng)該引起旅游部門的高度重視。

串聯(lián)電容器C1兩端電壓vC1和電容器C2的電壓vC2計(jì)算如下:

該電壓等于傳統(tǒng)SPEIC 變換器的輸出電壓。

結(jié)合式(3)～式(5)，可得到所提變換器的電壓增益G:

該變換器的電壓增益取決于零穩(wěn)態(tài)下的平均電感電壓。其占空比關(guān)系是Boost 變換器和SEPIC 變換器的組合，因此，輸出電壓高于傳統(tǒng)Boost 和SEPIC 變換器。

3 所提逆變器的參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 功率器件設(shè)計(jì)

本節(jié)以額定功率80 W，輸入電壓12 V，輸出電120 V，開關(guān)頻率40 kHz 為例來設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)、器件選型。

根據(jù)式(7)以及輸入、輸出關(guān)系，可計(jì)算出變換器占空比為0.82。為保證變換器的安全運(yùn)行，必須考慮器件耐壓值。根據(jù)上一節(jié)的分析，可得開關(guān)管和二極管兩端最大電壓應(yīng)力，詳見表1。

表1 器件的最大電壓應(yīng)力

從圖3 可以得到，所提變換器中，開關(guān)管的平均電流等于輸入電流Iin。二極管的平均電流等于輸出電流Io。二極管的峰值電流跟開關(guān)管峰值電流相同。開關(guān)管峰值電流的選擇基于電感L1和L2中的峰值電流之和。

式中:ISp為開關(guān)管峰值電流，IL1p和IL2p為電感L1、L2的峰值電流。

3.2 電感設(shè)計(jì)

通常設(shè)計(jì)電感電流紋波ΔiL為流過電感平均電流的40%，電感L1中的平均電流等于輸入電流，電感L2中的平均電流等于變換器的輸出電流。電感L1、L2紋波電流計(jì)算如下:

電感L1和L2設(shè)計(jì)值由下式計(jì)算:

式中:fs為開關(guān)頻率。

3.3 電容設(shè)計(jì)

對(duì)于輸出電容器C2和C3的設(shè)計(jì)，選擇輸出電壓紋波ΔVo等于電容器電壓的1%作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于串聯(lián)電容器C1，設(shè)計(jì)電壓紋波ΔvC等于的電容器電壓10%。電容值由下式計(jì)算:

式中:R為負(fù)載電阻。

4 對(duì)比分析

本節(jié)對(duì)傳統(tǒng)Boost 變換器，圖1(a)的SPEIC 變換器，圖1(b)的改進(jìn)SPEIC 變換器、圖1(c)所示的所提變換器進(jìn)行了對(duì)比研究。在MATLAB/Simulink仿真軟件中對(duì)以上4 種變換器進(jìn)行了仿真，以測(cè)試其性能。相關(guān)仿真參數(shù)設(shè)置為:Vin＝12 V，fs＝40 kHz，R＝180 Ω。圖4 為各變換器性能對(duì)比。

圖4 變換器輸出電壓與輸出電流

圖4(a)和圖4(b)繪制了每個(gè)變換器在不同占空比下的輸出電壓和輸出電流。從圖中可以看出，所提變換器和改進(jìn)SEPIC 變換器可按照理論值輸出電壓和電流。但是Boost 和SEPIC 變換器輸出電壓和電流偏低。此外，在任一占空比下，與其他變換器相比，所提變換器輸出電壓均高于其余三種變換器。

圖5 示出了各變換器的開關(guān)管電壓VS。所提變換器的開關(guān)電壓略低于改進(jìn)SEPIC 變換器，而SEPIC 和Boost 變換器的開關(guān)電壓較高。由于具有較低的開關(guān)電壓，損耗得以降低，因此變換器在高升壓比運(yùn)行時(shí)效率高。

圖5 變換器開關(guān)管電壓

圖6 給出了不同變換器的輸入峰值電流Iinp的曲線。當(dāng)輸入電流流過電感器L1時(shí)，電流紋波增大。這降低了變換器的整體效率，也使得變換器需要高額定電流的元件。與Boost、SEPIC 和改進(jìn)SEPIC 變換器相比，所提變換器的峰值電流相對(duì)較低，因此，該變換器具有較低的輸入電流紋波。

圖6 變換器輸入峰值電流

對(duì)所提變換器輸出電壓的穩(wěn)定時(shí)間進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖7 所示。從分析中可以清楚地看出，在相同輸入條件下，所提變換器輸出穩(wěn)定時(shí)間快于其余3 種變換器；因此，所提變換器具有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

圖7 輸出電壓穩(wěn)定時(shí)間

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述分析，搭建了一臺(tái)功率為80 W 的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證所提變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)電路參數(shù)

圖8 給出了輸入電流Iin、輸出電壓Vo、輸出電流Io的波形圖。穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出電壓Vo為118.6 V，輸出電流Io等于0.62 A，輸入電流Iin為6.57 A，電壓增益達(dá)到9.88，符合理論設(shè)計(jì)值。通過計(jì)算，額定功率下所提變換器效率達(dá)到93.2%。

圖8 Iin、Vo、Io 波形圖

圖9 給出了在開關(guān)周期時(shí)間尺度下的開關(guān)管電壓VS、電感電流iL1、iL2的波形圖，VS幅值為67.2 V，電感電流iL1平均值為6.57 A，紋波峰峰值3.82 A，iL2平均值為2.11 A，紋波峰峰值3.16 A，電感電流的變化趨勢(shì)與理論波形一致。

圖9 VS、iL1、iL2波形圖

圖10 給出了在開關(guān)周期時(shí)間尺度下的電容電壓vC2、vC3，二極管電壓vD1、vD2波形圖，vC2、vC3分別為51.8 V、67.2 V，二極管電壓vD1、vD2幅值分別為66.1 V、67.5 V，二極管、開關(guān)管承受的最大電壓等于電容電壓vC3，符合第二節(jié)的理論分析。

圖10 vC2、vC3、vD1、vD2波形圖

此外，圖11 給出了所提變換器在不同輸出功率下的效率曲線，實(shí)測(cè)最大效率高達(dá)94.3%。

圖11 所提變換器效率曲線

6 結(jié)論

本文提出了一種高升壓比非隔離DC-DC 變換器。該變換器采用兩個(gè)容值相等的負(fù)載電容，這些電容器分擔(dān)電壓應(yīng)力和浪涌電流。此外，通過減少沉降時(shí)間和峰值時(shí)間，輸出響應(yīng)特性得到改善，輸出電流和電壓在短時(shí)間內(nèi)快速穩(wěn)定到穩(wěn)態(tài)值。對(duì)比分析了變換器在不同參數(shù)下的性能，所提變換器增益高，開關(guān)電壓應(yīng)力低。最后，對(duì)所提變換器進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，其性能優(yōu)異，并且設(shè)計(jì)簡單、效率高，可作為許多可再生能源系統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)良選擇。