一種新型高增益升壓變換電路

石林林，祝龍記

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

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一種新型高增益升壓變換電路

石林林，祝龍記

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

為了將低壓直流電源轉(zhuǎn)換為所需的高壓電源，提出了一種帶耦合電感的新型高增益升壓變換電路。將傳統(tǒng)電感替換為耦合電感，且在開(kāi)關(guān)管兩邊并聯(lián)了由二極管和電容組成的升壓模塊，減小了開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力，提高了電壓增益。在MATLAB中搭建了該新型升壓變換電路的仿真模型。仿真結(jié)果表明：該新型升壓變換電路具有更高的電壓增益，且開(kāi)關(guān)管的電壓電流應(yīng)力較小。

耦合電感；高增益；升壓變換電路；電壓應(yīng)力；電流應(yīng)力

0　引言

光伏發(fā)電和燃料電池等系統(tǒng)中均存在輸出電壓較低且電壓跌落明顯的特點(diǎn)[1]，因此，通常在電壓源逆變器前加入直流/直流(directcurrent/directcurrent，DC/DC)升壓電路，將直流電壓升高到所需要的值[2-4]。傳統(tǒng)的DC/DC升壓電路拓?fù)涫芗纳鷧?shù)的影響，在調(diào)節(jié)電壓增益方面有所限制，不適用于極限占空比和高電壓增益的場(chǎng)合。相對(duì)而言，耦合電感升壓電路在輸入電壓相同的情況下，具有更高的電壓增益，且所用的占空比更小，但是，由于漏感的存在，開(kāi)關(guān)管的電壓電流應(yīng)力較大，損耗也較大[4]。因此，需要對(duì)耦合電感升壓電路進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)。文獻(xiàn)[5]在耦合電感的兩端接入電阻電容二極管(resistor-capacitor-diode，RCD)吸收電路漏感能量，但該方法大大降低了變換器的效率。文獻(xiàn)[6-8]采用有源箝位電路吸收漏感能量，但增加了開(kāi)關(guān)管的使用數(shù)量，使控制難度增加。文獻(xiàn)[9]提出了一種耦合電感雙管結(jié)構(gòu)升壓變換器，由于耦合電感繞組具有電壓源性質(zhì)，可進(jìn)一步提升電路中的電壓增益，但該電路使用2組耦合電感、2個(gè)開(kāi)關(guān)管、5個(gè)二極管以及輸出部分，所用器件較多，電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不容易控制。

本文提出了一種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高增益、低電壓應(yīng)力和低電流應(yīng)力的新型高增益升壓變換電路，研究了該變換電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，最后用仿真波形驗(yàn)證了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效性。

1　新型升壓變換電路

1.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為新型升壓變換電路及等效電路。圖1中：Uin為輸入電壓源；L1和L2分別為耦合電感的原邊和副邊；Ls為漏感；Lm為勵(lì)磁電感；S為開(kāi)關(guān)管；D1為箝位二極管；C1為箝位電容；D0為輸出二極管；C0為輸出電容；R0為負(fù)載電阻?；隈詈想姼械男滦蜕龎鹤儞Q電路如圖1a所示。該電路在傳統(tǒng)耦合電感電路的基礎(chǔ)上，在開(kāi)關(guān)管S和耦合電感副邊L2之間添加了箝位電容C1和箝位二極管D1。箝位電容C1有兩種用途：吸收漏感能量，有效抑制開(kāi)關(guān)管的電壓尖峰；充當(dāng)電壓源，放電給負(fù)載，進(jìn)一步提升該電路的電壓增益。

由于耦合電感可等效為：原副邊匝數(shù)比為n1/n2的理想變壓器,與勵(lì)磁電感Lm并聯(lián)，然后再與漏感Ls串聯(lián)，其中，Ls包括原邊漏感及副邊折算到原邊的漏感[10]。因此，該新型耦合電感升壓電路的等效電路如圖1b所示。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過(guò)開(kāi)關(guān)管S的導(dǎo)通給勵(lì)磁電感Lm儲(chǔ)能，開(kāi)關(guān)管S斷開(kāi)時(shí)，電容C1吸收漏感Ls能量；開(kāi)關(guān)管S徹底關(guān)斷后，箝位電容C1相當(dāng)于一個(gè)電壓源，與勵(lì)磁電感一起將能量傳遞給負(fù)載R0。

圖1　新型升壓變換電路及等效電路

1.2工作過(guò)程

為了簡(jiǎn)化分析，假設(shè)：(Ⅰ)忽略開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)的死區(qū)時(shí)間；(Ⅱ)耦合電感副邊L2工作在電流連續(xù)狀態(tài)；(Ⅲ)忽略開(kāi)關(guān)管和二極管的導(dǎo)通電壓。假設(shè)耦合系數(shù)為1；原、副邊匝數(shù)比為N；占空比為D；輸入電壓為Uin；輸出電壓為U0；Ls<

變換電路的主要工作波形如圖2所示：t0時(shí)，開(kāi)關(guān)管S開(kāi)始導(dǎo)通，勵(lì)磁電感Lm開(kāi)始儲(chǔ)能，一直持續(xù)到t1；t1時(shí)，開(kāi)關(guān)管S開(kāi)始關(guān)斷，結(jié)電容開(kāi)始充電，直到t2；t2時(shí)，箝位電容C1與勵(lì)磁電感Lm和漏感Ls一起將能量傳遞給負(fù)載，直到t3，整個(gè)過(guò)程結(jié)束。圖2中：Ug為開(kāi)關(guān)管S的門(mén)極觸發(fā)電壓，V；Us為開(kāi)關(guān)管S的端電壓，V；is為流過(guò)開(kāi)關(guān)管S的電流，A； UC1和UC0分別為箝位電容C1和輸出電容C0的電壓，V；iLm為勵(lì)磁電感Lm的電流，A。

圖2　變換電路的主要工作波形

圖2中，過(guò)程1([t0～t1])的等效電路如圖3所示(圖3中：虛線箭頭導(dǎo)向?yàn)殡娏鞯牧飨?；加粗的線路回路為此過(guò)程的主要工作電路，圖4和圖5中亦如此，后面不再重述)。開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通，二極管D1截止，電源Uin和漏感Ls、勵(lì)磁電感Lm以及開(kāi)關(guān)管S構(gòu)成一個(gè)回路，勵(lì)磁電感Lm處于儲(chǔ)能狀態(tài)。因此，在t≤t1時(shí)，有如下等式：

(1)

(2)

(3)

其中：M為互感因數(shù)；I(t0)為iLm和iLs在t0時(shí)刻的值(t0時(shí)刻，iLm和iLs的值相等)。

圖2中，過(guò)程2([t1～t2])的等效電路如圖4所示。t=t1時(shí)，開(kāi)關(guān)管S開(kāi)始關(guān)斷，勵(lì)磁電流和漏感電流對(duì)開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容進(jìn)行充電；當(dāng)結(jié)電容上的電壓達(dá)到箝位電容電壓時(shí)，箝位二極管D1導(dǎo)通，勵(lì)磁電感和漏感串聯(lián)，與箝位電容C1諧振，開(kāi)關(guān)管電壓被箝位于箝位電容電壓UC1。

在該過(guò)程，可得出下列等式：

；　(4)

圖5　過(guò)程3的等效電路

圖2中，過(guò)程3([t2～t3])的等效電路如圖5所示。開(kāi)關(guān)管S徹底關(guān)斷后，箝位電容C1此時(shí)相當(dāng)于一個(gè)電壓源，與勵(lì)磁電感和漏感一起將能量傳遞給負(fù)載。該過(guò)程中有以下等式：

(7)

(8)

2　性能分析

由于漏感Ls比勵(lì)磁電感Lm小得多，因此：

(9)

由勵(lì)磁電感的伏秒平衡特性，可分析該電路的電壓增益。

在一個(gè)穩(wěn)態(tài)周期內(nèi)，開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，

ULm=Uin，

(10)

開(kāi)關(guān)管S關(guān)斷后，

(11)

根據(jù)勵(lì)磁電感的伏秒平衡特性可得：

(N+1)tONUin+N(Ts-tON)(Uin-U0)=0，

(12)

其中：tON為開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間；Ts為開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)周期；N為原、副邊匝數(shù)比。

因此，可得出電壓增益G為：

(13)

又因?yàn)?

(14)

結(jié)合式(13)和式(14)可知：該電路的電壓增益G大于1。而且，由式(13)可知：該電路的電壓增益與占空比D和匝數(shù)比N有關(guān)。若適當(dāng)?shù)卣{(diào)整占空比和匝數(shù)比，則可將電壓增益增大到一定數(shù)值。

根據(jù)漏感和勵(lì)磁電感的伏秒平衡特性，可得出開(kāi)關(guān)管S兩端的電壓應(yīng)力Us為：

(15)

對(duì)比式(13)和式(15)可看出：開(kāi)關(guān)管承受的應(yīng)力小于輸出電壓，且適當(dāng)?shù)卣{(diào)整占空比和匝數(shù)比，可以相應(yīng)減少開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力。但要綜合考慮電壓增益，因此，兩個(gè)參數(shù)要折中考慮。

由以上分析可知：穩(wěn)態(tài)下，箝位電容C1的端電壓為開(kāi)關(guān)管關(guān)斷后所承受的電壓應(yīng)力，輸出電容C0的端電壓為輸出電壓。

3　仿真實(shí)驗(yàn)及分析

為了驗(yàn)證該新型升壓變換電路的電壓增益、各器件的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力等指標(biāo)，在MATLAB仿真平臺(tái)中建立了新型升壓變換電路以及傳統(tǒng)耦合電感升壓變換電路的仿真模型，進(jìn)行了仿真測(cè)試。測(cè)試的參數(shù)為：輸入電壓Uin=10V;耦合電感的原邊L1=20mH，副邊L2=2mH;電容C1=47μF;輸出濾波電容C0=100μF;開(kāi)關(guān)頻率f=50kHz;占空比D=0.5。

圖6為新型耦合電感升壓變換電路和傳統(tǒng)耦合電感升壓變換電路的輸出電壓波形對(duì)比。從圖6可以看出：新型耦合電感升壓變換電路的輸出電壓U0最終穩(wěn)定在 27.5V；而傳統(tǒng)耦合電感升壓變換電路的輸出電壓U0最終穩(wěn)定在12.6V?？梢?jiàn)，在相同的輸入電壓下，新型耦合電感升壓變換電路具有更高的電壓增益。

圖6　升壓變換電路輸出電壓波形對(duì)比

圖7a和7b分別為新型耦合電感升壓變換電路和傳統(tǒng)耦合電感升壓變換電路開(kāi)關(guān)管的電流波形。從圖7可以看出:在新型耦合電感升壓變換電路中，流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流幅值最終穩(wěn)定在0.55A；而在傳統(tǒng)耦合電感升壓變換電路中，流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流幅值最終穩(wěn)定在5A左右。

圖8a和8b分別為新型耦合電感升壓變換電路和傳統(tǒng)耦合電感升壓變換電路開(kāi)關(guān)管的電壓波形。從圖8可以看出:在新型耦合電感升壓變換電路中，開(kāi)關(guān)管兩端的電壓為15V；而在傳統(tǒng)耦合電感升壓變換電路中，開(kāi)關(guān)管兩端的電壓為50V?？梢?jiàn)，在相同的參數(shù)下，新型耦合電感升壓變換電路的開(kāi)關(guān)管具有更小的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力。

圖7　升壓變換電路開(kāi)關(guān)管電流波形對(duì)比

圖8　升壓變換電路開(kāi)關(guān)管電壓波形對(duì)比

通過(guò)將新型耦合電感升壓變換電路和傳統(tǒng)耦合電感升壓變換電路在電壓增益、電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力方面進(jìn)行比較，可以看出在相同大小的輸入電壓下，基于耦合電感的新型升壓變換電路具有更大的電壓增益，且其各器件的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力也相對(duì)較小。

4　結(jié)論

本文提出了一種基于耦合電感的新型升壓變換電路，并在MATLAB環(huán)境下建立了仿真模型進(jìn)行了仿真。該新型升壓變換電路相對(duì)于傳統(tǒng)的耦合電感升壓變換電路而言，具有較好的升壓效果，且開(kāi)關(guān)管上的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力也較小。因此，具有較好的實(shí)用性和可行性。

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安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1508085ME88)

石林林(1990-),女,安徽宿州人,碩士生;祝龍記(1964-),男,安徽淮南人，教授,博士,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)與應(yīng)用.

2016-04-25

1672-6871(2016)06-0051-04

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.06.011

TM46

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