新型多輸入升壓變換器的交錯控制研究*

侯世英,陳　復(fù)

(重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 重慶　400044)

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新型多輸入升壓變換器的交錯控制研究*

侯世英?,陳復(fù)

(重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 重慶400044)

摘要：在基于開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的多輸入升壓變換器中，由于其開關(guān)管必須同時導(dǎo)通、同時關(guān)斷，因此很難實現(xiàn)對各輸入源的獨立控制.基于此，對開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進行改變，并采用交錯控制策略進行研究.首先對基于交錯控制的雙輸入升壓變換器的工作原理及性能進行了分析，然后通過拓撲推演得到了n路輸入的高升壓變換器.最后，進行了仿真和實驗研究，實驗結(jié)果表明：該變換器不僅具有較大的電壓增益，而且允許所有開關(guān)管不同時導(dǎo)通、不同時關(guān)斷，并且占空比不完全一致，實現(xiàn)了各輸入源的獨立控制，在新能源利用方面具有一定的優(yōu)勢.

關(guān)鍵詞：新能源；多輸入；開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)；高增益；交錯控制

隨著傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭，以及它所造成的環(huán)境污染和全球變暖等問題日益嚴重，新能源的開發(fā)和利用越來越受到人們的重視.目前，應(yīng)用較多的新能源發(fā)電方式主要有光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池發(fā)電等，具有資源分布廣、開發(fā)潛力大、環(huán)境影響小、可永續(xù)利用的特點.但在傳統(tǒng)的新能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中，每一個輸入源均需要一個DC/DC變換器與之對應(yīng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，且其自身存在隨機性、間歇性、地域性、輸出非線性等局限性[1]，極大地限制了新能源聯(lián)合發(fā)電技術(shù)的發(fā)展.基于上述原因，采用一個多輸入變換器(Multi-input Converter，MIC)代替多個單輸入變換器的思想逐漸形成，MIC不僅可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性，實現(xiàn)能源的優(yōu)先利用，降低系統(tǒng)成本，而且允許多種性質(zhì)、幅值和特征不同的能源輸入，因此，MIC的發(fā)展受到國內(nèi)外專家學(xué)者的極大關(guān)注[2-4].

近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者提出了一些MIC拓撲.文獻[5-6]所提出的MIC結(jié)構(gòu)簡單，但在任意時刻只能有一個輸入源工作，輸入能源利用效率低.文獻[7]所提出的MIC既能實現(xiàn)多個輸入源分時供電，又能實現(xiàn)同時供電，但該變換器實質(zhì)上是將多個Boost單元并聯(lián)在輸出側(cè)，并未減少元件數(shù)量.雖然上述兩類MIC組成結(jié)構(gòu)簡單，但電壓增益與傳統(tǒng)的單輸入Boost變換器一樣，應(yīng)用場合受到了限制.隨著MIC研究的深入，同時供電型MIC種類增多，相應(yīng)的控制策略也隨之出現(xiàn)，其中交錯控制在同時供電型MIC中應(yīng)用廣泛[8-14].

文獻[15]結(jié)合開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，得到一種基于開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的新型單開關(guān)升壓變換器，并在此基礎(chǔ)上衍生出一種新型多輸入升壓變換器[16]，該變換器開關(guān)管和電容的電壓應(yīng)力小，降低了系統(tǒng)成本，電感電流紋波較小且連續(xù)，任何輸入電源供電時，所有開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)均參與工作，器件利用率及能量輸入效率高，所有開關(guān)管僅由同一信號驅(qū)動，控制簡單.但從另一方面而言，所有開關(guān)管同時導(dǎo)通、同時關(guān)斷卻帶來了一定的局限性，如不同性質(zhì)、不同幅值、不同特征的新能源同時作為輸入源輸入時，無法實現(xiàn)各輸入源的獨立控制.本文針對文獻[16]所提多輸入升壓變換器的不足，對開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組合方式進行一定的改變，并采用交錯控制的方法，使其不僅保留原拓撲高增益、多路輸入、開關(guān)管和電容的電壓應(yīng)力小、電感電流紋波小等優(yōu)點，而且允許不同性質(zhì)、不同幅值、不同特征的新能源同時作為輸入源輸入，并易于實現(xiàn)各輸入源的獨立控制.

1雙輸入升壓變換器

1.1拓撲變形

開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的拓撲如圖1所示，由1個開關(guān)管S1，2個規(guī)格參數(shù)相同的交叉電容C1和C2，以及2個規(guī)格參數(shù)也相同的二極管D1和D2構(gòu)成.當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，二極管D1和D2截止，電容C1和C2串聯(lián)放電；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時,二極管D1和D2導(dǎo)通，電容C1和C2交叉并聯(lián)充電.

圖1　開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)

為了進一步提高開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的升壓能力并允許多個輸入源同時工作，文獻[15]將兩個開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)進行組合，形成了一種具有多輸入高增益的升壓變換器，如圖2所示.

圖2　一種開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組合方式

通過共用網(wǎng)絡(luò)1#中的D12與網(wǎng)絡(luò)2中的D21，雖然節(jié)省了器件，但D12和D21必須保證同一狀態(tài)屬性，即D12和D21必須同時導(dǎo)通、同時關(guān)斷，造成開關(guān)管S1和S2也必須同時導(dǎo)通、同時關(guān)斷，在一定程度上限制了該變換器的應(yīng)用.本文在上述開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，對開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的組合方式進行調(diào)整，如圖3所示.組合方式調(diào)整后的開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)雖然未共用二極管D12(或D21)，但使得D12和D21不必保證同一狀態(tài)屬性，因此開關(guān)管S1和S2可以不同時導(dǎo)通、不同時關(guān)斷，與原拓撲結(jié)構(gòu)相比應(yīng)用范圍更廣.

圖3　另一種開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組合方式

1.2基于交錯控制的變換器工作原理

基于組合方式調(diào)整后的開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，可以得到一種新型的雙輸入升壓變換器，如圖4所示.所有開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)中電容的規(guī)格參數(shù)均相等，因此各自網(wǎng)絡(luò)中的電容電壓應(yīng)有如下關(guān)系：UC11=UC12=UC1，UC21=UC22=UC2.

圖4　雙輸入高升壓變換器

由于開關(guān)管S1和S2可以不同時導(dǎo)通與關(guān)斷，因此本文對如圖4所示變換器采用交錯控制策略，開關(guān)管S1和S2的驅(qū)動相位依次錯開360o/2即180o.因此，該變換器將會出現(xiàn)至多4種工作模態(tài)，各模態(tài)的開關(guān)管及二極管狀態(tài)見表1，各模態(tài)等效電路如圖5所示.

表1　各模態(tài)的開關(guān)管及二極管狀態(tài)

注：“1”表示導(dǎo)通，“0”表示關(guān)斷.

模態(tài)Ⅰ：等效電路如圖5(a)所示.S1和S2導(dǎo)通，D11, D12, D21和D22關(guān)斷，此時電感Lo，L1和L2兩端

(a) 模態(tài)Ⅰ的等效電路

(b) 模態(tài)Ⅱ的等效電路

(c) 模態(tài)Ⅲ的等效電路

(d) 模態(tài)Ⅳ的等效電路

電壓為：

(1)

電流iLo,iL1,iL2均線性上升，電容C11, C12, C21和C22均處于串聯(lián)放電狀態(tài)，電容電壓UC1和UC2下降.

模態(tài)Ⅱ：等效電路如圖5(b)所示.S1, D21, D22導(dǎo)通，S2, D11, D12關(guān)斷，此時電感Lo, L1, L2兩端電壓為：

(2)

電流iLo和iL2線性下降，電流iL1線性上升，電容C11和C12處于串聯(lián)放電狀態(tài)，電容電壓UC1下降，電容C21和C22處于交叉并聯(lián)充電狀態(tài)，電容電壓UC2上升.

模態(tài)Ⅲ：等效電路如圖5(c)所示.S2, D11和D12導(dǎo)通，S1, D21和D22關(guān)斷，此時電感Lo, L1, L2兩端電壓為：

(3)

電流iLo和iL1線性下降，電流iL2線性上升，電容C11和C12處于交叉并聯(lián)充電狀態(tài)，電容電壓UC1上升，電容C21和C22處于串聯(lián)放電狀態(tài)，電容電壓UC2下降.

模態(tài)Ⅳ：等效電路如圖5(d)所示.S1和S2關(guān)斷，D11，D12, D21和D22導(dǎo)通，此時電感Lo, L1和L2兩端電壓為：

(4)

電流iLo,iL1和iL2均線性下降，電容C11, C12, C21和C22均處于交叉并聯(lián)充電狀態(tài)，電容電壓UC1和UC2上升.

1.3輸入輸出電壓關(guān)系

由于開關(guān)管S1和S2的占空比D1和D2的大小不一定相等，以0.5為界將會出現(xiàn)4種不同的交錯波：

交錯波1：D1<0.5，D2<0.5；

交錯波2：D1≥0.5，D2<0.5；

交錯波3：D1<0.5，D2≥0.5；

交錯波4：D1≥0.5，D2≥0.5.

對交錯波1進行分析，穩(wěn)態(tài)工作時的主要波形如圖6所示，其中Q1和Q2分別表示開關(guān)管S1和S2的驅(qū)動波形，其占空比分別為D1和D2.

由圖6可知，當(dāng)開關(guān)管驅(qū)動波形為交錯波1時，在1個開關(guān)周期T，該變換器僅有3個工作模態(tài)，分別為模態(tài)Ⅱ，模態(tài)Ⅲ及模態(tài)Ⅳ.

由式(1)—(4)，再結(jié)合電感Lo,L1和L2的伏秒平衡可得：

(5)

圖6　D1<0.5，D2<0.5時，

化簡式(5)，可得：

(6)

由上式可知，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中的電容電壓UC1和UC2分別等于對應(yīng)輸入電壓Uin1的1/(1-D1)倍和Uin2的1/(1-D2)倍；輸出電壓Uo與D1,D2,Uin1及Uin2相關(guān)，其中D1和D2可以不同；同時，輸入電壓Uin1和Uin2也可不同，因此可以滿足大小、特征、幅值不同的輸入源同時輸入，具有良好的性能.

對于另外3種情況的交錯波，可以采用相同的方法對其工作原理及輸入輸出電壓關(guān)系進行分析，得到的結(jié)果見表2.

表2　另外3種交錯波時的電路工作原理及輸出電壓

2基于交錯控制的n輸入升壓變換器

根據(jù)文獻[15]可知，開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)可以進行級聯(lián)組合，因此，將多個開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)按圖3所示方式進行級聯(lián)得到一種新型的n路輸入升壓變換器，如圖7所示.

圖7　多路輸入高升壓變換器

針對該多輸入變換器，可依然采用交錯控制的方式，各開關(guān)管的驅(qū)動相位依次錯開360o/n.

根據(jù)式(2)可推導(dǎo)出下式：

(7)

可以看出，在具有n個輸入源和n個開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的情況下，該拓撲同樣可以滿足大小、特征、幅值不同的輸入源同時輸入，且占空比可以不同；若某輸入源為光伏輸入時，通過調(diào)節(jié)其輸入電流的參考值可以很容易地實現(xiàn)其最大功率輸出，即實現(xiàn)MPPT，提高了能源利用效率，拓展了該拓撲的應(yīng)用場合，尤其是在新能源聯(lián)合并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用.

對兩種基于開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的多輸入DC/DC變換器的性能特點進行比較，見表3.

表3　兩種基于開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的DC/DC

由表3可知：

1) 文獻[16]所提變換器僅能進行分時供電，而本文中的多輸入變換器在同時供電下均能正常工作，充分利用了輸入源.

2) 兩種多輸入變換器輸出電壓的表達式略有不同，但均能使輸出電壓獲得較高的電壓等級，均具備高增益的特點.

3) 文獻[16]所提的變換器僅能在開關(guān)管同時導(dǎo)通、同時關(guān)斷的條件下工作，雖然控制簡單，但無法實現(xiàn)各輸入源的獨立可控；而本文中的變換器除了能在開關(guān)管同時導(dǎo)通、同時關(guān)斷的情況下工作，還能工作在開關(guān)管交錯導(dǎo)通的情況下，能很好地實現(xiàn)對各輸入源的獨立控制.

3仿真與實驗研究

3.1仿真研究

為了驗證前述理論分析的正確性，本文根據(jù)圖4所示雙輸入升壓變換器，在Matlab中搭建了仿真模型，仿真模型參數(shù)見表4.

表4　仿真模型參數(shù)表

圖8　仿真波形

由圖8可以看出：

1) 圖8(a)，(b)和(c)所示電感電流存在一定的啟動沖擊，這是由Boost電路本身的性質(zhì)決定的，且在仿真中，由于電路參數(shù)比較理想，忽略了部分器件自身的阻抗，因而啟動沖擊電流較大.但是實際電路中，啟動沖擊電流會比仿真時小一些.

2) 交錯波占空比D1和D2分別為0.3和0.4，此時UC1和UC2及Uo的理論值分別為45.7 V，40.0 V和115.4 V，可以發(fā)現(xiàn)，圖8(d)，(e)和(f)所示仿真輸出電壓與理論計算值接近，說明了前述理論分析的正確性.

3.2實驗研究

為了進一步驗證理論分析與仿真結(jié)果的正確性，在實驗室搭建雙輸入升壓電路樣機，除開關(guān)頻率變?yōu)?0 kHz外，其余電路參數(shù)與仿真模型參數(shù)基本一致.兩個開關(guān)管交錯180o導(dǎo)通，得到如圖9所示的實驗波形.

圖9　實驗波形

由圖9可以看出：

1) 開關(guān)管S1和S2的驅(qū)動信號相互交錯180°，而且高電平電壓值為12 V，達到了IRF640的驅(qū)動電壓.

2) 從電感電流iL1和iL2的實驗波形可以看出，電感電流iL1和iL2未出現(xiàn)斷續(xù)的情況，說明了多輸入變換器工作在CCM模式下，所示實驗結(jié)果比仿真結(jié)果大，原因是實驗樣機的開關(guān)管工作頻率為20 kHz，僅為仿真分析時的1/5．若提高開關(guān)管工作頻率，iL1,iL2及iLo的電流紋波會得到大幅改善.

3) 圖9(e)，(f)和(g)所示UC1,UC2及Uo的實驗結(jié)果分別為42 V, 35 V和109 V，與理論值較為接近，說明了理論分析與仿真結(jié)果的正確性.

圖10為實驗樣機的實測工作效率，從圖中可以看出，變換器在不同的負載條件下，其效率曲線是變化的，且其最大工作效率大約為92.7%.

輸出功率/W

4結(jié)語

本文對多個開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的連接方式進行了重新組合，在交錯控制方式下，對其雙輸入情況下的工作原理、性能特性進行了分析，并在此基礎(chǔ)上對基于交錯控制的多輸入情況進行了推衍，最后進行仿真及樣機實驗，實驗結(jié)果表明：

1) 對本文所示的多輸入DC/DC變換器采用交錯控制是可行的，且所有開關(guān)管占空比不完全一致，使各輸入源能實現(xiàn)獨立控制，拓展了應(yīng)用場合.

2) 輸出電壓等于各輸入源電壓的(1+Dn)/(1-Dn)倍之和，同樣具備了高增益的性質(zhì).

3) 開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)的多輸入DC/DC在同時供電情況下正常工作，未造成輸入源閑置的情況，輸入源利用率高，且各輸入源之間互不影響，非常適合于新能源聯(lián)合利用的場合.

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Research on the Interleaving Control of A Novel Step-up Multi-input Converter

HOU Shi-ying?, CHEN Fu

(School of Electrical Engineering, Chongqing Univ, Chongqing400044, China)

Abstract:As the switches must be turned on and off simultaneously in the proposed multi-input step-up converter based on switched-capacitor network, it is difficult to realize the independent control of each input source. Therefore, some changes were made for the structure of the switched-capacitor network, and research was done with an interleaving control. Firstly, the principle of operation and the performance of the double-input converter based on interleaving control were analyzed. And then the topology of the converter with n-input ports was presented by topology deduction. At last, simulation and experimental research was done. The results have shown that the proposed converter has a high voltage gain and allows all switches not to be turned on and off simultaneously with different duty-cycles, which realizes the independent control of each input source, and has more advantages in the field of new energy.

Key words:new energy sources; multi-input control; switched-capacitor network; high step-up; interleaving control

中圖分類號：TM46

文獻標(biāo)識碼：A

作者簡介：侯世英(1962-)，女，四川南充人，重慶大學(xué)教授?通訊聯(lián)系人，E-mail:houshiying@cqu.edu.cn

基金項目：國家“111”計劃資助項目(B08036)

*收稿日期：2015-03-02

文章編號：1674-2974(2016)02-0085-07