改進(jìn)型高增益耦合電感Boost-Sepic變換器

摘 要：

針對光伏電池輸出電壓等級低、穩(wěn)定性差的問題，本文將Boost-Sepic變換器進(jìn)行改進(jìn)，并加入耦合電感與開關(guān)電容兩種增益單元，提出一種高增益耦合電感組合Boost-Sepic變換器。首先將組合后的Boost-Sepic變換器中輸入電感替換為耦合電感原邊，保證輸入側(cè)電流連續(xù)并鉗位開關(guān)管電壓；同時將耦合電感倍壓單元與開關(guān)電容進(jìn)行串聯(lián)以提高電壓增益。采用無源鉗位吸收回路回收耦合電感漏感的能量，抑制開關(guān)管兩端產(chǎn)生的電壓尖峰。詳細(xì)分析了Boost-Sepic變換器的工作模態(tài)、電壓增益、開關(guān)器件電壓/電流應(yīng)力及器件參數(shù)的選擇，并與其他高增益變換器對比。最后，通過200 W實驗樣機驗證了變換器的可行性與正確性。

關(guān)鍵詞：高增益；低應(yīng)力；耦合電感；開關(guān)電容；無源鉗位；Boost-Sepic變換器

DOI：10.15938/j.emc.2024.08.013

中圖分類號：TM46

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-449X（2024）08-0124-11

Improved high-gain coupled inductor Boost-Sepic converter

FANG Xupeng， GUO Hongzhen， LIU Kun， XING Bin

（College of Electrical Engineering and Automation， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China）

Abstract：

Aiming at the problem of low output voltage level and poor stability of photovoltaic， a high-gain coupled inductor combination Boost-Sepic converter was presented by improving the Boost-Sepic converter and adding two gain units of coupling inductor and switched capacitor. First， the input inductor in the combined Boost-Sepic converter was replaced with a coupled inductor primary side to ensure continuous input side current and clamp the power switch voltage; meanwhile， the coupled inductor multiplier unit was connected in series with the switching capacitor to improve the voltage gain. In the converter， a passive clamp absorption loop was used to recycle the energy of the leakage inductance of the coupled inductor， suppresses voltage spikes generated on the power switch. The new Boost-Sepic converter was analyzed in detail， including the selection of operating modes， voltage gain， switching device voltage and current stress， and device parameters， and compared with other high-gain converters. Finally， the feasibility and correctness of the converter was verified by a 200 W experimental prototype.

Keywords：high gain; low stress; coupled inductor; switched capacitor; passive clamp; Boost-Sepic converter

0 引 言

近幾年，隨著能源需求激增、化石能源枯竭、環(huán)境污染加劇，光伏電池等可再生能源越來越受到關(guān)注并迅速發(fā)展［1-2］，但光伏電池是低壓直流電源，需要經(jīng)一級DC-DC升壓變換器將電壓提升至直流母線電壓級，然后通過DC-DC變換器或DC-AC逆變器送至直流電網(wǎng)或交流電網(wǎng)。因此，研究高效率、高增益、低電壓應(yīng)力且性能穩(wěn)定的升壓變換器已經(jīng)成為研究熱點［3-4］。

目前，國內(nèi)外學(xué)者提出的DC-DC升壓變換器采用的倍壓技術(shù)主要有以下幾類：倍壓結(jié)構(gòu)、磁耦合結(jié)構(gòu)、多級倍壓結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［5-6］利用二極管-電容或二極管-電感構(gòu)成開關(guān)電容/電感在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中進(jìn)行串聯(lián)，提高變換器的電壓增益。但隨著增益變大，不僅器件數(shù)量增加，成本提高，而且會產(chǎn)生大的電流峰值，增大了功率開關(guān)器件的損耗。文獻(xiàn)［7-8］介紹了帶耦合電感的變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該變換器的電壓增益不僅與開關(guān)管導(dǎo)通占空比有關(guān)，還和耦合電感原、副邊匝數(shù)比有關(guān)。由于漏感存在會產(chǎn)生電壓尖峰，存在能量損耗等問題，需要引入緩沖電路對其進(jìn)行抑制。文獻(xiàn)［9-10］在變換器中增添有源或無源鉗位緩沖電路，如在開關(guān)管兩端并聯(lián)二極管-電容或開關(guān)管-電容，有源鉗位結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)主開關(guān)管的零電流開通，進(jìn)一步減小了變換器損耗。文獻(xiàn)［11-12］將變換器的輸入電感替換為耦合電感，并采用磁集成技術(shù)，縮減了電感元件的體積和質(zhì)量，提高了變換器的效率，改善了其性能。同時，與倍壓電容-二極管相結(jié)合，得到自舉倍壓結(jié)構(gòu)，升壓能力較大。自舉倍壓結(jié)構(gòu)還可多次疊加，使變換器滿足多種工作場合需求。文獻(xiàn)［13-15］將耦合電感與開關(guān)電容結(jié)合，開關(guān)電容既是倍壓單元，又可以回收耦合電感中漏感能量，在提高電壓增益的同時避免了電壓尖峰問題。文獻(xiàn)［16-17］提出了一系列拓?fù)浣M合變換器，將Boost變換器與Sepic變換器或Zeta變換器進(jìn)行組合，得到新型高增益拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保證了具有處理較寬范圍的輸入電壓、較好的負(fù)載調(diào)節(jié)的優(yōu)點，但在追求高頻化、集成化的直流升壓發(fā)展階段，傳統(tǒng)Boost-Sepic變換器在升壓及器件應(yīng)力方面無法滿足現(xiàn)代工藝需求，電感元件體積較大，不易集成化，而且轉(zhuǎn)化效率較低。

基于以上分析，本文提出一種改進(jìn)型基于Boost-Sepic變換器的高升壓比DC-DC變換器。該變換器采用磁耦合倍壓結(jié)構(gòu)與開關(guān)電容相結(jié)合應(yīng)用于拓?fù)浣M合變換器，一方面減少電感的使用，節(jié)約成本，減少體積，另一方面有較大的電壓增益，而且可以回收耦合電感中漏感儲存的能量，同時鉗位開關(guān)管電壓。

1 變換器的工作原理

1.1 高增益耦合電感Boost-Sepic變換器

首先利用Boost變換器和Sepic變換器具有相同的輸入模塊，將這兩個變換器組合，構(gòu)成基本的Boost-Sepic變換器，既保證輸入電流的連續(xù)，又減少器件數(shù)目，降低成本。為了提升Boost-Sepic變換器的電壓增益，將輸入電感替換為耦合電感，并將耦合電感副邊與電容-二極管組成耦合電感倍壓單元，同時與開關(guān)電容串聯(lián)；電容和二極管作為無源電壓鉗位電路，用于回收耦合電感中漏感儲存的能量，同時降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力，減少開關(guān)管的損耗。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 變換器的等效電路

為了方便分析變換器的各個模態(tài)中電流的流向，圖2給出了本文所提出變換器的等效電路，其中Np、Ns分別是耦合電感的原、副邊匝數(shù)，匝數(shù)比為N=Ns/Np。

1.3 變換器的工作原理

為了簡化所提出變換器的工作原理分析，考慮了以下假設(shè)：

1）所選擇器件均為理想器件，但要考慮漏感。漏感只在連續(xù)導(dǎo)通模態(tài)分析中考慮；

2）所選擇的電容量足夠大，紋波電壓忽略不計。

所提變換器的工作可分為連續(xù)導(dǎo)通模式和斷續(xù)工作模式。當(dāng)變換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式時，工作過程包括5種工作模態(tài)。變換器在不同時間間隔內(nèi)的電流流動路徑如圖3所示，器件的一些電壓電流波形如圖4所示。

1）開關(guān)模態(tài)Ⅰ［t0～t1］：在此模態(tài)下，開關(guān)管S和二極管D2、D4導(dǎo)通，二極管D1、D3、D5截止。勵磁電感Lm和漏感Lk充電儲能，流過的電流線性增加；耦合電感副邊Ns和電容C1通過二極管D2由電容C2充電儲能，電容C3通過二極管D4由電容C4充電儲能；同樣，輸出電容C0將儲存的能量傳輸給負(fù)載。

2）開關(guān)模態(tài)Ⅱ［t1～t2］：在此模態(tài)下，二極管D1、D2、D4導(dǎo)通，開關(guān)管S和二極管D3、D5截止。電容C2通過二極管D1吸收漏感Lk儲存的能量，鉗位開關(guān)管S上的電壓，電流iLk開始減小；流過耦合電感副邊Ns的電流減小，至t2時刻電流減到0，二極管D2關(guān)斷。

3）開關(guān)模態(tài)Ⅲ［t2～t3］：在此模態(tài)下，二極管D1、D3、D5導(dǎo)通，開關(guān)管S和二極管D2、D4截止。電容C2繼續(xù)吸收漏感Lk儲存的能量并鉗位開關(guān)管S上的兩端電壓，電流iLk繼續(xù)減小；電容C1通過二極管D3將其儲存的能量釋放到電容C4，同時與電容C3通過二極管D5向輸出電容C0和負(fù)載充電儲能。

4）開關(guān)模態(tài)Ⅳ［t3～t4］：在此模態(tài)下，二極管D3、D5導(dǎo)通，開關(guān)管S和二極管D1、D2、D4截止。電容C2不再吸收漏感Lk能量；輸入電壓Vin為整個電路釋放能量，使耦合電感電流保持基本不變。

5）開關(guān)模態(tài)Ⅴ［t4～t5］：在此模態(tài)下，開關(guān)管S和二極管D3、D5導(dǎo)通，二極管D1、D2、D4關(guān)斷。勵磁電感Lm和漏感Lk充電儲能重新開始由輸入電壓Vin充電儲能，電流iLk迅速增大；耦合電感副邊Ns和電容C1繼續(xù)通過二極管D3放電釋能，耦合電感副邊Ns的電流減小，至t5時刻電流減到0，二極管D3關(guān)斷。

結(jié)合上述分析，將額定功率下變換器各穩(wěn)態(tài)參數(shù)代入，可求出變換器的理論損耗值，變換器各部分損耗占比如圖16所示，變換器功率總損耗為8.56 W，效率為95.90%。而變換器在額定功率下效率理論值均高于實測值，主要由理想性假設(shè)、硬件限制和測量誤差等多種因素造成的。在實際應(yīng)用中，可以改進(jìn)硬件設(shè)計和提高測量準(zhǔn)確性等來提高變換器的實際效率。

5 結(jié) 論

本文通過對Boost-Sepic變換器進(jìn)行拓?fù)涓倪M(jìn)，得到了改進(jìn)型高增益耦合電感Boost-Sepic變換器，通過樣機實驗對理論分析進(jìn)行了驗證得到變換器具有以下特點：

1）變換器使用耦合電感與開關(guān)電容組合來提高電壓增益，所以在不需要極大占空比的情況下，也可以獲得高電壓增益。

2）開關(guān)管的電壓遠(yuǎn)小于輸出電壓，可以選擇電壓定額更低的功率器件。

3）變換器利用無源鉗位電路來吸收耦合電感中漏感的能量，抑制了開關(guān)管兩端產(chǎn)生的電壓尖峰，減少了導(dǎo)通損耗，提高了工作效率，同時還具有輸入電流連續(xù)的特點。

基于以上特點，該變換器在光伏發(fā)電領(lǐng)域具有較好的發(fā)展前景。

參 考 文 獻(xiàn)：

［1］ CHEN Z， GUERRERO J M， BLAABJERG F. A review of the state of the art of power electronics for wind turbines［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2009，24（8）：1859.

［2］ HOSSEINI S H， ALISHAH R S， GHAREHKOUSHANA Z. Enhancement of extracted maximum power from partially shaded multi-string PV panels using a new cascaded high step-up DC-DC-AC converter［C］//9th International Conference on Electrical and Electronics Engineering （ELECO）， November 26-28，2015，Bursa，Turkey. 2015：644-648.

［3］ 胡雪峰.高增益非隔離型 Boost 變換器拓?fù)浼捌溲苌椒ㄑ芯浚跠］.南京：南京航空航天大學(xué)，2014.

［4］ HU Yihua， CAO Wenping， FINNEY S J， et al. New modular structure DC-DC converter without electrolytic capacitors for renewable energy applications［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy，2014，5（4）：1184.

［5］ BADDIPADIGA B P， FERDOWSI M. A high-voltage-gain DC-DC converter based on modified dickson charge pump voltage multiplier［J］. IEEE Transactions on Power Electronics，2017，32（10）：7707.

［6］ 榮德生， 孫璀瑨， 劉飛楊， 等. 一種新型磁集成二次型開關(guān)電感單元［J］. 電機與控制學(xué)報，2020， 24（4）：131.

RONG Desheng， SUN Cuijin， LIU Feiyan， et al. Integrated magnetic quadratic switched-inductor unit［J］. Electric Machines and Control，2020，24（4）：131.

［7］ 林國慶， 何恩義. 一種低輸入電流紋波高增益軟開關(guān)DC-DC變換器［J］. 電機與控制學(xué)報，2023，27（5）： 65.

LIN Guoqing， HE Enyi. Low input current ripple high gain soft switching DC-DC converter［J］. Electric Machines and Control， 2023， 27（5）： 65.

［8］ 李洪珠， 劉飛揚， 李洪璠. 基于新型耦合電感倍壓單元的高增益變換器［J］. 電工電能新技術(shù)，2020，39（2）： 21.

LI Hongzhu， LIU Feiyang， LI Hongfan. High voltage gain Boost converter with coupled inductor voltage doubler cell［J］. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy，2020，39（2）：21.

［9］ HU Renjun， ZENG Jun， LIU Junfeng， et al. A nonisolated bidirectional DC-DC converter with high voltage conversion ratio based on coupled inductor and switched capacitor［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2021， 68（2）： 1155.

［10］ 皇金鋒， 謝鋒， 羅全明. 一種改進(jìn)型低電壓應(yīng)力耦合電感高增益Boost變換器［J］. 電機與控制學(xué)報，2020， 24（10）：69.

HUANG Jinfeng， XIE Feng， LUO Quanming. High step-up improved low voltage-stress Boost converter with coupled inductors［J］. Electric Machines and Control，2020，24（10）：69.

［11］ ZHAOYi， LI Wuhua， HE Xiangning. Single-phase improved active clamp coupled-inductor-based converter with extended voltage doubler cell［J］. IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27（6）：2869.

［12］ SCHMITZ L， MARTINS D C， COELHOR F. Generalized high step-up DC-DC Boost-based converter with gain cell［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems I：Regular Papers，2017，64（2）：480.

［13］ 尹華杰， 丁杰， 趙世偉. 基于耦合電感與開關(guān)電容單元的高增益DC/DC變換器［J］.電機與控制學(xué)報，2021，25（11）：66.

YIN Huajie， DING Jie， ZHAO Shiwei. High step-up DC/DC converter based on coupled inductor and switched capacitor unit［J］. Electric Machines and Control，2021，25（11）：66.

［14］ 葉睿明， 張民， 薛鵬飛， 等.一種可應(yīng)用于新能源發(fā)電系統(tǒng)的雙繞組高效率高升壓DC-DC變換器［J］. 太陽能學(xué)報， 2023，44（6）：161.

YE Ruiming，ZHANG Min，XUE Pengfei， et al. Two-winds high efficiency high step-up DC-DC converter applicable to new energy power generation system［J］. Acta Energiae Solaris Sinica，2023，44（6）：161.

［15］ 楊檸瑞， 程小華， 曾君， 等. 耦合電感與開關(guān)電容集成的高升壓增益變換器［J］. 電機與控制學(xué)報，2021，25（4）：61.

YANG Ningrui， CHENG Xiaohua， ZENG Jun， et al. High step-up converter integrating the coupled-inductor and the switched-capacitor［J］. Electric Machines and Control，2021，25（4）：61.

［16］ 郭瑞， 張力之， 韓冬， 等. 耦合電感型Boost-Sepic高增益DC-DC變換器［J］. 電源學(xué)報，2022，20（3）：80.

GUO Rui， ZHANG Lizhi， HAN Dong， et al. High-gain Boost-Sepic DC-DC converter with coupled inductors ［J］. Journal of Power Supply，2022， 20（3）：80.

［17］ 榮德生， 劉燁， 劉亞迪， 等.一種高增益耦合電感交錯組合Boost-Zeta變換器［J］. 電工電能新技術(shù)，2023，42（9）：23.

RONG Desheng， LIU Ye， LIU Yadi， et al. High-gain coupled-inductor interleaved Boost-Zeta converter［J］. Advanced Technology of Electrical Engineering，2023， 42（9）：23.

（編輯：劉素菊）

收稿日期： 2023-12-05

基金項目：山東省重點研發(fā)計劃資助項目（2019GGX103049）

作者簡介：房緒鵬（1971—），男，博士，教授，研究方向為現(xiàn)代電力電子技術(shù)及其在電氣傳動、新興能源利用方面的應(yīng)用等；

郭紅震（1999—），男，碩士，研究方向為電力電子技術(shù)及應(yīng)用；

劉 坤（1997—），男，碩士，研究方向為電力電子技術(shù)及應(yīng)用；

邢 斌（1997—），男，碩士，研究方向為電力電子技術(shù)及應(yīng)用。

通信作者：郭紅震