耦合電感升壓變換器開關(guān)管應(yīng)力降低的研究

石林林，祝龍記，朱　紅

(1.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南232001； 2.國網(wǎng)安徽省公司長豐縣供電公司，安徽長豐231100)

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耦合電感升壓變換器開關(guān)管應(yīng)力降低的研究

石林林1，祝龍記1，朱紅2

(1.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南232001； 2.國網(wǎng)安徽省公司長豐縣供電公司，安徽長豐231100)

摘要：為了解決傳統(tǒng)的升壓電路拓?fù)湟驗(yàn)槭艿郊纳鷧?shù)的影響而導(dǎo)致電壓增益會(huì)受到極限占空比的限制，以及傳統(tǒng)的耦合電感升壓變換器由于漏感的存在而導(dǎo)致的開關(guān)管兩端電壓電流應(yīng)力較大等一系列問題，在此提出一種新型的可用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的、具有高增益和低電壓電流應(yīng)力的耦合電感升壓變換器。該變換器在傳統(tǒng)耦合電感升壓變換器的基礎(chǔ)上增加了由二極管、電感以及電容組成的無損吸收電路。由于耦合電感具有變壓器效應(yīng)，因此，相對于傳統(tǒng)升壓電路來說，耦合電感的這一特性，使電路中的電壓增益有了較大的提高；由于電感具有抑制電流上升的作用，因此，開關(guān)管開通時(shí)，減輕了開關(guān)管的電流應(yīng)力；在開關(guān)管S的兩端并聯(lián)由電感、電容以及二極管組成的無損吸收電路，有效吸收耦合電感升壓變換器中的漏感能量，使得開關(guān)管兩端的電壓尖峰得到抑制，當(dāng)開關(guān)管S徹底關(guān)斷后，電容和電感通過副邊繞組和輸出二極管，將能量傳遞給負(fù)載，實(shí)現(xiàn)無損傳輸，進(jìn)一步提升了電壓增益。為了驗(yàn)證該新型耦合電感升壓變換器的有效性，故在MATLAB/Simulink平臺(tái)上搭建了該新型變換器和傳統(tǒng)耦合電感升壓變換器的仿真模型。通過對比2個(gè)模型的相應(yīng)仿真波形，可以看出，相對于傳統(tǒng)的耦合電感升壓變換器，該新型變換器具有更高的電壓增益，同時(shí)，開關(guān)管上的電壓和電流應(yīng)力也相對較小。

關(guān)鍵詞：耦合電感；光伏發(fā)電；無損吸收電路；電壓電流應(yīng)力

光伏發(fā)電技術(shù)作為電網(wǎng)的有益補(bǔ)充，逐漸成為研究的焦點(diǎn)。由于光伏發(fā)電技術(shù)輸出電壓較低，需經(jīng)DC-DC變換器進(jìn)行升壓[1-2]。DC-DC變換器中的耦合電感具有變壓器效應(yīng)，可以提高變換器的電壓增益，同時(shí)，減少開關(guān)管等器件的使用，變換器的體積和成本也明顯降低。但傳統(tǒng)的耦合電感升壓變換器由于其漏感的存在，使開關(guān)管上的電壓和電流應(yīng)力較大，嚴(yán)重影響其安全使用[3]。本文將在傳統(tǒng)耦合電感升壓變換器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種新型的DC-DC變換器用于光伏發(fā)電系統(tǒng)，其具有較高的電壓增益，同時(shí)降低開關(guān)器件電壓/電流應(yīng)力[4]。并通過仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該變換器的可行性及顯著技術(shù)效果[5]。

圖1　傳統(tǒng)的耦合電感升壓電路Fig.1　Traditional boost circuit with coupled inductor

1傳統(tǒng)的耦合電感升壓變換器

與傳統(tǒng)的boost電路相比，采用耦合電感，可以使變換器的電氣性能得到進(jìn)一步的加強(qiáng)[6]，通過合理的設(shè)置各器件參數(shù)以及耦合電感的匝數(shù)比來獲得較高的電壓增益，減少開關(guān)管等器件的使用，使電路控制較為簡單，也避免了傳統(tǒng)的boost電路中極限占空比的情況[7-8]。但是，耦合電感是一把雙刃劍，在具有高增益、容易控制、電路簡單等一系列優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也帶來了漏感引起的高電壓/電流應(yīng)力等一系列副作用[9]。而傳統(tǒng)的耦合電感升壓電路(見圖1)對漏感帶來的副作用并沒有采取相應(yīng)的措施進(jìn)行避免或減小。

2新型耦合電感升壓變換器

2.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理簡介

新型耦合電感升壓變換器的電路拓?fù)淙鐖D2(a)所示，其中，耦合電感可等效為匝數(shù)比為N的理想變壓器與勵(lì)磁電感Lm并聯(lián)后再與漏感Ls串聯(lián)，其等效電路如圖2(b)所示。該電路在傳統(tǒng)耦合電感升壓電路的基礎(chǔ)上增添了由二極管D1、D2、電感L以及電容C組成的無損吸收電路。

圖2　新型耦合電感升壓變換器Fig.2　Novel coupled inductor boost converter

開關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，由于電感的抑制電流上升的作用，開關(guān)管上的電流上升速度變慢，避免開關(guān)管受到尖峰電流的沖擊；開關(guān)管S導(dǎo)通后，吸收回路中的二極管D2導(dǎo)通，電感L和電容C發(fā)生諧振；開關(guān)管S關(guān)斷的過程中，漏感電流流向吸收電容C，電容C的電壓逐漸升高，直到達(dá)到最大值，從而抑制開關(guān)管上的過電壓，避免了電壓尖峰；當(dāng)開關(guān)管S徹底關(guān)斷后，電感L、勵(lì)磁電感和吸收電容C通過副邊繞組和輸出二極管向負(fù)載傳遞能量。

2.2工作過程分析

電路的主要工作波形如圖3所示，其中：Vg為開關(guān)管S的門極觸發(fā)電壓；Vs為開關(guān)管S的端電壓；is為流過開關(guān)管S的電流；VC為吸收電路中電容C的端電壓；iL為流過吸收電路中電感L的電流(從t0～t3為一個(gè)工作周期)。

圖3　主要工作波形圖Fig.3　The waveform of main work

圖4　工作過程1Fig.4　The working process 1

過程1[t0-t1]：如圖4所示(加粗的線路回路為此過程的主要工作電路，以下過程亦如此，不再重述)，t=t0時(shí)，開關(guān)管S被施加門極觸發(fā)信號(hào)，開關(guān)管S導(dǎo)通，勵(lì)磁電感Lm的端電壓等于輸入電壓Uin，電感電流iLm線性增長；吸收回路中的電感L和電容C發(fā)生諧振，流過開關(guān)管的電流為勵(lì)磁電感電流Lm和吸收回路中流過電感L的電流之和。假設(shè)t=t01時(shí)(t0

在該過程中，等式(1)成立：

(1)

其中，當(dāng)t0

UC(t)=UC(t0)cosw(t-t0)，

(2)

(3)

當(dāng)t01

(4)

過程2[t1-t2]：如圖5所示，t=t1時(shí)，開關(guān)管S開始關(guān)斷，漏感Ls與吸收電容C開始發(fā)生諧振，漏感電流下降，吸收電容C上的電壓上升，直到最大值。在該階段，等式(5)、(6)成立：

(5)

(6)

過程3[t2-t3]：如圖6所示，t=t2時(shí)，開關(guān)管S徹底關(guān)斷，勵(lì)磁電感電流通過副邊繞組和輸出二極管向負(fù)載傳遞能量；電感L和電容C通過副邊繞組和輸出二極管向負(fù)載傳遞能量。該階段等式(7)、(8)成立：

(7)

(8)

圖5　工作過程2Fig.5　The working process 2

圖6　工作過程3Fig.6　The working process 3

2.3性能分析

由于漏感Ls比勵(lì)磁電感Lm小的多，因此可根據(jù)勵(lì)磁電感的伏秒平衡特性進(jìn)行分析電路的電壓增益。在一個(gè)穩(wěn)態(tài)周期內(nèi)，開關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，ULm=Uin；開關(guān)管S關(guān)斷后，ULm=(Uin-U0)/(N+1)。

由勵(lì)磁電感Lm的伏秒平衡特性可得出式(9)：

(9)

因此，可得出該電路的電壓增益G為：

(10)

由于漏感Ls比勵(lì)磁電感Lm小的多，因此：Lm+Ls≈Lm；Ls/Lm≈0。

因此，理想情況下，由勵(lì)磁電感的伏秒平衡特性[10]可得開關(guān)管S的電壓應(yīng)力為：

(11)

但是該電路中存在LC吸收電路，在過程2中，吸收電容C和漏感Ls發(fā)生諧振，吸收電容C上存在諧振峰值UC-max，因此，可得開關(guān)管的實(shí)際應(yīng)力為：

(12)

輸出二極管的電壓應(yīng)力為：

(13)

由式(12)和(13)可知，開關(guān)管兩端的電壓應(yīng)力小于輸出電壓，而輸出二極管的電壓應(yīng)力比輸出電壓高。

由以上分析可知，當(dāng)輸入電壓一定時(shí)，合理地設(shè)置匝數(shù)比和占空比，可以得到較高的電壓增益，并降低開關(guān)管上的電壓應(yīng)力；通過給電路中的電感和電容設(shè)置合理的參數(shù)，可降低開關(guān)管上的電流應(yīng)力。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證該新型耦合電感升壓變換器的新特性，在MATLAB/Simulink平臺(tái)上搭建了該新型變換器和傳統(tǒng)耦合電感升壓變換器的仿真模型[11]，通過對比2種升壓變換器在相同參數(shù)下的仿真波形，進(jìn)一步突顯新型變換器的改進(jìn)之處，使新型變換器的優(yōu)越性更加明顯地表現(xiàn)出來。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：輸入電壓Uin為100 V，耦合電感原邊L1=16 mH，副邊L2=100 mH，頻率f=30 kHz，占空比D=0.5，輸出濾波電容C0=1 000 μF，R0=50 Ω。另外，新型耦合電感升壓變換器的吸收電路中的電感L=50 mH，電容C=500 μF。

圖7　開關(guān)管的電壓波形Fig.7　The voltage waveforms of the switch tube

從圖7(a)和(b)中可以看出，傳統(tǒng)耦合電感升壓電路中開關(guān)管兩端電壓幅值為389.6 V，而新型耦合電感升壓電路中開關(guān)管兩端電壓幅值為256.8 V，與理論計(jì)算值較為接近。通過比較兩圖中的波形可知，傳統(tǒng)耦合電感升壓電路中開關(guān)管兩端有較大的尖峰電壓，對開關(guān)管的沖擊較大，容易引起開關(guān)管擊穿。而新型耦合電感升壓電路中開關(guān)管兩端的電壓則較為平緩，且相對傳統(tǒng)耦合電感升壓電路而言，電壓較小，開關(guān)管的損耗較小。由此可知該新型電路中開關(guān)管上的電壓應(yīng)力相對較小。

圖8　開關(guān)管的電流波形Fig.8　The current waveforms of the switch tube

從圖8(a)和(b)中可看出，傳統(tǒng)耦合電感升壓電路中開關(guān)管導(dǎo)通后，電流幅值為46.9 A，而新型耦合電感升壓電路中開關(guān)管電流幅值穩(wěn)定在16.5 A。對比兩圖中的波形形狀可知，傳統(tǒng)耦合電感升壓電路中開關(guān)管的電流波形近似于三角波，而新型耦合電感升壓電路中開關(guān)管的電流波形近似于矩形波。因此，與傳統(tǒng)型耦合電感升壓電路相比較，該新型電路中開關(guān)管上的電流應(yīng)力較小。

圖9　輸出電壓波形Fig.9　The output voltage waveforms

從圖9(a)和(b)中可以看出，傳統(tǒng)耦合電感升壓電路的輸出電壓波動(dòng)較大，震蕩較明顯，而新型耦合電感升壓電路的輸出電壓則較為平緩，最終能穩(wěn)定在815 V，與理論值接近。由此可看出，新型電路的輸出電壓增益比傳統(tǒng)耦合電感升壓電路高，效果較好，轉(zhuǎn)換效率更高。

綜合以上分析可知，該新型耦合電感升壓電路比傳統(tǒng)的耦合電感升壓電路具有更高的電壓增益以及更小的電壓電流應(yīng)力。

4結(jié)論

為了更好地利用耦合電感的升壓特性，本文提出一種新型的耦合電感升壓電路，即在傳統(tǒng)耦合電感升壓電路的基礎(chǔ)上增加了由二極管、電感以及電容組成的無損吸收電路，以解決耦合電感升壓電路中電壓增益不高、開關(guān)管的電壓電流應(yīng)力較大的問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)耦合電感升壓電路而言，新型耦合電感升壓電路在具有高增益的同時(shí)，開關(guān)管上的電壓電流應(yīng)力得到明顯減小，輸出電壓更加平緩穩(wěn)定。該新型電路結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，且成本較低，適合應(yīng)用在需要高增益DC-DC變換的場合。

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(責(zé)任編輯黃勇)

doi:10.16088/j.issn.1001-6600.2016.02.003

收稿日期：2015-11-05

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11105002)

中圖分類號(hào)：TM46

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-6600(2016)02-0015-06

Research of Reducing the Stress on the Switch in the Coupled Inductor Boost Circuit

SHI Linlin1，ZHU Longji1，ZHU Hong2

(1.College of Electrical and Information Engineering， Anhui University of Science and Technology， Anhui Huainan 232001，China. 2.Changfeng Power Supply Company of Anhui State Grid，Anhui Changfeng 231100，China)

Abstract:In order to solve the problem that the voltage gain is limited by the limit of the voltage gain because of the parasitic parameters in traditional boost converter and a series of problems caused by the presence of the leakage inductance in the traditional boost converter with coupled inductance， a new high gain coupled inductor boost converter for photovoltaic power generation system is proposed. Based on the traditional coupled inductor boost converter， the converter is added to the lossless absorption circuit composed of diode， inductor and capacitor. As the coupled inductor has the transformer effect， the new circuit has higher voltage gain， compared with the traditional boost converter with coupled inductance； Since inductance has the effect of inhibiting the rise of current， it can reduce the current stress of the switch tube when the switch tube is on； The lossless snubber circuit could absorb leakage inductance energy to suppress the voltage spike at bothends of the switch. When the switch is turned completely， the energy in the capacitor and inductance can be delivered to the load，which realizes the lossless transmission to further enhance the voltage gain. In order to verify the validity of the new coupled inductor boost converter， the simulation model of the new coupled inductor boost converter and the traditional coupled inductor boost converter are built on the MATLAB/Simulink platform. By comparing the corresponding simulation waveforms of the two models， it can be seen that the new converter has higher voltage gain and relatively smaller voltage and current stress on the switch tube than the traditional one.

Keywords:coupled inductor； photovoltaic power generation； lossless snubber circuit； stress of the voltage and current

通信聯(lián)系人：祝龍記(1964—)，男，安徽淮南人，安徽理工大學(xué)教授，博士。E-mail：ljzhu@aust.edu.cn