基于開關(guān)電容單級(jí)網(wǎng)絡(luò)的升壓變換器的參數(shù)與穩(wěn)定性研究

萬云霞，王宏霞，高寧，陳國超

（吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林長春130026）

基于開關(guān)電容單級(jí)網(wǎng)絡(luò)的升壓變換器的參數(shù)與穩(wěn)定性研究

萬云霞，王宏霞，高寧，陳國超

（吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林長春130026）

針對(duì)現(xiàn)有升壓變換電路升壓能力有限、紋波大和效率低等問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于開關(guān)電容單級(jí)網(wǎng)絡(luò)的電源升壓變換器。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)取開關(guān)電容單級(jí)網(wǎng)絡(luò)升壓變換器在不同占空比條件下輸出電壓隨輸入電壓變化的數(shù)據(jù)繪制特性曲線，將不同條件下的升壓電路效率計(jì)算出來，并與開關(guān)電容電路相關(guān)參數(shù)的理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著輸入電壓的升高，基于開關(guān)電容單級(jí)網(wǎng)絡(luò)的升壓變換器的效率穩(wěn)定在80%以上，在電路效率方面基本符合了設(shè)計(jì)的要求，與傳統(tǒng)boost升壓變換器裝置的效率相比更具有優(yōu)勢(shì)。

升壓電路占空比；升壓范圍；高效率；IR2110；參數(shù)優(yōu)化

隨著化石燃料的日益枯竭，對(duì)可持續(xù)發(fā)展、環(huán)保節(jié)能的新型能源的需求愈發(fā)強(qiáng)烈。太陽能作為眾多可再生能源當(dāng)中最具潛力的一種，擁有安全可靠、無噪聲、無污染、制約少、故障率低、維護(hù)簡(jiǎn)便的使用特點(diǎn)［1-2］，目前對(duì)太陽能發(fā)電的研究已達(dá)到成熟階段。然而對(duì)于新能源的利用率現(xiàn)在還是一個(gè)需要深入研究并積極改善的一個(gè)重要方向，文中提出了一種基于開關(guān)電容的單級(jí)網(wǎng)絡(luò)橫向串聯(lián)的升壓變換器裝置，通過完善電路中的相關(guān)參數(shù)，在一定程度上提高了傳統(tǒng)boost升壓變換器在高升壓比下的開關(guān)頻率過高。通過最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，這種電源裝置不僅可以做到在本項(xiàng)目中完成太陽能部分的升壓的要求，而且可以在相同條件下高效的收集儲(chǔ)存能量，并且引申在新能源并網(wǎng)之中也可以起到很大的作用［3］。

1　系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目電源裝置主要由發(fā)電裝置和儲(chǔ)能電路兩部分組成，整體的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)電源裝置的結(jié)構(gòu)框圖

通過太陽能電池板和壓電材料分別將太陽能和人體動(dòng)能轉(zhuǎn)換為可利用的電能，通過蓄能電池進(jìn)行電能的存儲(chǔ)以備給手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備充電。本設(shè)計(jì)是太陽能能量收集中的升壓電路，具體實(shí)驗(yàn)并分析了在不同輸入電壓及占空比下，基于開關(guān)電容的單級(jí)網(wǎng)絡(luò)升壓變換器的效率及輸出電壓的變化。本升壓電路由MSP430F149集成電路、基于IR2110的驅(qū)動(dòng)電路及主電路3部分構(gòu)成如圖2。

利用MSP430F149芯片內(nèi)部的兩個(gè)計(jì)數(shù)器相比較而得到頻率、占空比均可調(diào)的一路PWM輸出。由于PWM幅值較小，不足以達(dá)到控制開關(guān)管的開關(guān)電壓，輸出的PWM波形經(jīng)過以IR2110為核心芯片的驅(qū)動(dòng)電路將電壓幅值放大到10V，由于選擇的開關(guān)管為IRF640N型MOSFET管，工作電壓在10V時(shí)能夠正常工作。通過驅(qū)動(dòng)電路放大后的PWM波可以驅(qū)動(dòng)主電路正常工作，從而開始測(cè)試，調(diào)整MSP430F149程序?qū)崿F(xiàn)程控改變占空比，測(cè)試當(dāng)保持20kHz的頻率下不同占空比對(duì)應(yīng)的輸入電壓與效率曲線，對(duì)比分析效率能穩(wěn)定在80%以上。

圖2　升壓電路整體結(jié)構(gòu)框圖

2　原理分析與參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1主電路原理分析與參數(shù)設(shè)計(jì)

基于開關(guān)電容的單級(jí)網(wǎng)絡(luò)的升壓變換器電路原理圖及等效電路如圖3所示：

1）當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，二極管VD1、VD2截止，該變換器的等效電路如圖3所示：

圖3　基于開關(guān)電容的單級(jí)網(wǎng)絡(luò)的升壓變換器電路原理圖與等效圖

2）當(dāng)開關(guān)管S關(guān)斷時(shí)，二極管VD1、VD2導(dǎo)通，其等效電路如圖3所示。

對(duì)于電感L1和電感L2，結(jié)合以上兩個(gè)關(guān)系式，可以得到在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，根據(jù)電感的伏秒平衡原理

之后將式（1）代入式（2），可以得出輸出電壓與輸入電壓之間的表達(dá)式如下：

又由（3）式可以繼續(xù)推導(dǎo)出輸出電流的表達(dá)式為：

可以根據(jù)輸入輸出之間的功率守恒原理得到，輸入電流的表達(dá)式如下：

其中，適中Uin為主電路輸入端電壓，UC為開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)中電容端電壓，UO為輸出端電壓，R為輸出端負(fù)載電阻，D為電路中開關(guān)管PWM控制信號(hào)的占空比；Iin為輸入端電流，IO為輸出端電流IL1、IL2為經(jīng)過電感L1、L2的電流，UL1、UL2為L1、L2兩端的電壓［4］。

從基于開關(guān)電容的單級(jí)網(wǎng)絡(luò)裝置的效率考慮，電路中各個(gè)元件相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)，以及具體元器件的選擇都決定了系統(tǒng)最后輸出電壓的大小以及效率的高低。且由于兩個(gè)交叉電容的存在，可以實(shí)現(xiàn)電容串聯(lián)放電、并聯(lián)充電的工作效果，從而達(dá)到提高變換器升壓能力的目的。

2.2驅(qū)動(dòng)電路原理選擇分析與參數(shù)設(shè)計(jì)

IR2110是一種性能比較優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)集成電路，它的自舉懸浮驅(qū)動(dòng)電源可同時(shí)驅(qū)動(dòng)同一橋臂的上、下兩個(gè)開關(guān)器件，驅(qū)動(dòng)電壓高達(dá)500V，工作頻率為500kHz，驅(qū)動(dòng)峰值電流為2 A，同時(shí)兩通道還設(shè)有低壓延時(shí)封鎖（50 ns）。重要的是IR2110可以直接輸入兩路PWM波，經(jīng)過放大之后出來兩路驅(qū)動(dòng)波［5］。IR2110的這些優(yōu)點(diǎn)給實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了極大方便，特別是自舉懸浮驅(qū)動(dòng)電源大大簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)，因?yàn)橹挥靡宦冯娫醇纯赏瓿缮舷聵虮蹆蓚€(gè)功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)。美國IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動(dòng)器則兼有光耦隔離體積小和電磁隔離速度快的優(yōu)點(diǎn)，是中小功率變換裝置中驅(qū)動(dòng)器件的首選品種［6-8］。

其中電容C1、C3為103瓷片電容、C2為1 μF電解電容，由于結(jié)構(gòu)電容量小，但容量穩(wěn)定，等效電感很小。由于電解電容的等效電感較大，決定了它不能用于高頻場(chǎng)合，因?yàn)轭l率越高，電感的影響就越明顯，然而該電路的頻率僅在10kHz-40kHz范圍內(nèi)，電解電容能應(yīng)用的最大頻率一般在500kHz左右，故電解電容適合用在本電路中。IR2110的效率比同類芯片高，故選擇IR2110。

基于開關(guān)電容單級(jí)網(wǎng)絡(luò)的升壓變換器整個(gè)系統(tǒng)在頻率不變的情況下，調(diào)節(jié)占空比，使得主電路能夠在輸入電壓一定時(shí)最為接近理想升壓比以及得到最高的效率且保持穩(wěn)定［9］。

圖4　基于IR2110芯片的單路PWM波輸出的驅(qū)動(dòng)電路

3MATLAB軟件Simulink仿真結(jié)果及分析

先設(shè)定一組數(shù)據(jù)，當(dāng)使用升壓電路中基于開關(guān)電容單級(jí)網(wǎng)絡(luò)的升壓變換器的參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，所設(shè)定的指標(biāo)為：輸入電壓數(shù)據(jù)為12V，輸出達(dá)到60V，由于單級(jí)網(wǎng)絡(luò)會(huì)使得電壓反向，則輸出具體指標(biāo)為-60V，功率達(dá)到30 W，效率80%以上。

通過計(jì)算得各個(gè)器件的參數(shù)如表1所示。

表1　各器件參數(shù)表

由上述公式（3）計(jì)算可得，要達(dá)到指標(biāo)，需5倍的放大倍數(shù)，則需要的占空比。其中開關(guān)頻率設(shè)為10kHz，在開關(guān)管IRF640能夠承受且正常工作的范圍內(nèi)。

4　測(cè)試結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證單開關(guān)升壓變換器的高效性以其的工作性能，對(duì)該變換器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在計(jì)算和仿真過后，實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：輸入電壓從0依次增加到12V，而占空比選擇40%，50%，和66%分別測(cè)量之后做出對(duì)應(yīng)的由輸入電壓與效率對(duì)應(yīng)關(guān)系的變化曲線。

在開關(guān)頻率保持一定的條件下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5　占空比為40%頻率為20kHz理論放大倍數(shù)為-2.33倍的單級(jí)開關(guān)電容電路測(cè)試結(jié)果

通過圖5的測(cè)試結(jié)果可得：在輸入電壓從0V逐漸變化到12V的過程中，升壓電路系統(tǒng)整體的效率從64.68%升至83%，并且在升壓過程中逐漸將電路的效率穩(wěn)定在80%以上，且放大倍數(shù)由表格可以看出均具有穩(wěn)定的升壓比，并且與理論升壓比-2.33偏差很小，達(dá)到相應(yīng)的指標(biāo)。通過10組測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比，可以得出該升壓電源裝置在開關(guān)頻率保持穩(wěn)定的條件下能達(dá)到設(shè)定的升壓比并且效率能達(dá)到83.37%。

單片機(jī)MSP430F149產(chǎn)生的PWM波形的頻率保持20kHz的條件下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示，當(dāng)時(shí)環(huán)境條件為：開關(guān)頻率20kHz，占空比為66%，輸入電壓由0V等間距變化到12V。

由圖6可得：在輸入電壓從0V逐漸變化到12V的過程中，升壓電路系統(tǒng)整體的效率從70.69%升至81.37%，并且在升壓過程中逐漸將電路的效率穩(wěn)定在81%左右，且放大倍數(shù)由表格可以看出均具有穩(wěn)定的升壓比，并且與理論升壓比-5偏差較大，但效率能達(dá)到相應(yīng)的指標(biāo)。通過13組測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比，可以得出該升壓電源裝置在開關(guān)頻率保持穩(wěn)定的條件下能達(dá)到設(shè)定的升壓比并且效率能達(dá)到81.37%。

圖6　占空比為66%頻率為20kHz理論放大倍數(shù)為-5倍的單級(jí)開關(guān)電容電路測(cè)試結(jié)果

通過將圖5與圖6的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可得，當(dāng)開關(guān)頻率保持恒定不變時(shí)，占空比的改變對(duì)升壓電路最終的效率影響不大。而當(dāng)電路處在40%的占空比時(shí)基于開關(guān)電容單級(jí)網(wǎng)絡(luò)的升壓變換器的升壓比相較于66%時(shí)的升壓比更為穩(wěn)定，也更加接近理論值。隨著電壓升高，在40%和66%的占空比下主電路的效率均可以達(dá)到80%以上，完成指標(biāo)要求。

5　結(jié)束語

在實(shí)際的戶外環(huán)境下，單一能量來源的便攜型電源裝置會(huì)受到天氣等方面因素的影響而不能持續(xù)為使用者進(jìn)行供電，而使用本文所設(shè)計(jì)并實(shí)踐的基于開關(guān)電容單級(jí)網(wǎng)絡(luò)的升壓變換器之中的相關(guān)參數(shù)能夠滿足太陽能升壓電路部分的效率要求，在Boost變換器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，得到一種單開關(guān)升壓變換器的相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)，通過最優(yōu)化參數(shù)最終提高發(fā)電效率的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該升壓電源裝置與傳統(tǒng)的升壓電源裝置相比提高了電路的效率，并且能夠保持穩(wěn)定的升壓比，開關(guān)頻率較低，并且電路中僅僅使用了一個(gè)開關(guān)管，控制電路簡(jiǎn)單，在能量的利用和效率上都更占優(yōu)勢(shì)。

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A step-up converter based on the vertical parallel switch-capacitor network

WAN Yun-xia，WANG Hong-xia，GAO Ning，CHEN Guo-chao
（College of Instrumentation&Electrical Engineering，Jilin University，Changchun 130026，China）

In view of the limitation of existing boost converter in the boost range，ripple and efficiency，a step-up converter based on the switch capacitor single stage network has been designed and confirmed to be feasible in practice.The characteristic curves of the output voltage varying with the input voltage under different duty cycle conditions are obtained by the experimental test，and the calculated results of the efficiency of the boost circuit is compared with the theoretical result obtained from the relevant parameters of the switched capacitor circuit.The experimental results show that the efficiency of the boost converter based on switched capacitor single stage network is more stable than 80%with the increase of input voltage，

set-up；converterduty cycleboost；rangehigh efficiency；IR2110；parameter optimization

TN710.2

A

1674－6236（2016）17-0181-04

2015-09-06稿件編號(hào)：201509038

國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃基金項(xiàng)目（2014A65288）

萬云霞（1980—），女，山東煙臺(tái)人，工程師。研究方向：電磁信號(hào)處理。

which is basically in line with the design requirement of circuit efficiency and more advantageous than traditional boost converter.