基于CLD模塊的新型DC-DC升壓變換器

2

(1.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010； 2.電子科技大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 610054)

隨著人類文明的發(fā)展，人類日常生產(chǎn)生活對(duì)能源的依賴也日益緊密[1]。因化石能源儲(chǔ)量有限，加之其在燃燒供能的過程中對(duì)環(huán)境造成了不容忽視的污染等因素，激發(fā)了人們對(duì)新能可再生能源的需求，進(jìn)而吸引了大量的專家學(xué)者投身到了對(duì)其的研究中來[2-3]。

光伏發(fā)電技術(shù)因其能量來源于光能，加之其在完成光電轉(zhuǎn)換的過程中清潔無污染，使其一躍成為了新能源研究領(lǐng)域里的焦點(diǎn)。由于光伏電池直接輸出的直流電壓一般都較低，難以滿足分布式光伏電站充電樁或并網(wǎng)逆變器中直流匯流母線對(duì)高壓直流電的需求，所以常需要在光伏電站充電樁中或光伏發(fā)電系統(tǒng)中加入DC-DC升壓變換器模塊[4-5]。傳統(tǒng)的Boost升壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般適用于電壓增益不超過6的場(chǎng)合[6]。為了在光伏電站充電樁中或光伏發(fā)電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更高的電壓增益，近年來大量的DC-DC升壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被提出[7-11]。雖然部分高增益DC-DC升壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了較高的電壓變比，但仍具有電感電流過大、開關(guān)管電壓應(yīng)力過高、變換器整體能量轉(zhuǎn)換效率不高等缺點(diǎn)。

針對(duì)在新能源的利用過程中對(duì)高增益DC-DC升壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的需求，提出了一種高增益的DC-DC的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸出電壓是其輸入電壓的(3D+1)/(1-D)倍，兩有源開關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸出電壓的1/(3D+1)倍，兩無源開關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸出電壓的2/(3D+1)倍。本文對(duì)該新型DC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理及其性能特點(diǎn)進(jìn)行了嚴(yán)密的理論分析和邏輯論證，最終通過制作的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，對(duì)上述分析進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 工作原理

所提高增益的DC-DC的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中有源開關(guān)管S1、S2參數(shù)相同、型號(hào)一致，電感元器件L1、L2參數(shù)相同、型號(hào)一致，電容元器件C1、C2參數(shù)相同、型號(hào)一致，無源開關(guān)管D1、D2參數(shù)相同、型號(hào)一致。為了簡(jiǎn)化對(duì)其工作原理的分析過程，現(xiàn)做以下假設(shè)：① 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中所有電感(L1、L2、L3)的電流(iL1、iL2、iL3)連續(xù);② 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中所有電容(C1、C2、C3)的容量大到足以忽略其電壓紋波為止；③ 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中所有元器件都是理想的；④ 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中兩有源開關(guān)管(S1、S2)采用同步控制的控制策略[3]。

圖1 基于CLD模塊的新型DC-DC升壓變換器

由于在該變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)工作的整個(gè)過程中電感電流連續(xù)，所以該變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一直工作在其電感電流連續(xù)模式(Continuous Conduction Model,CCM)。現(xiàn)分別對(duì)所提變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中有源開關(guān)管S導(dǎo)通和關(guān)斷兩種模式進(jìn)行分析。表1為有源開關(guān)管S分別在兩種工作模態(tài)下，所有開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)。

表1 開關(guān)狀態(tài)表

1.1 工作模式1

此時(shí)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中有源開關(guān)管S1、S2導(dǎo)通，無源開關(guān)管D1、D2關(guān)斷，圖2為其等效電路圖。此時(shí)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中有5個(gè)電流環(huán)路，具體如下。

① 環(huán)路1，電源Vin、電感L1和有源開關(guān)管S1串聯(lián)形成環(huán)路，此時(shí)電源電壓Vin給電感L1充電；

② 環(huán)路2，電源Vin、電感L2和有源開關(guān)管S2串聯(lián)形成環(huán)路，此時(shí)電源電壓Vin給電感L2充電；

③ 環(huán)路3，電容C1、有源開關(guān)管S1、電感L2、電容C2、電容C3、電感L3串聯(lián)形成環(huán)路，此時(shí)電容C1電壓VC1、電感L2電壓VL2、電容C2電壓VC2、電容C3電壓VC3串聯(lián)給電感L3充電；

④ 環(huán)路4，電容C1、電感L1、有源開關(guān)管S2、電容C2、電容C3、電感L3串聯(lián)形成環(huán)路，此時(shí)電容C1電壓VC1、電感L1電壓VL1、電容C2電壓VC2、電容C3電壓VC3串聯(lián)給電感L3充電，環(huán)路3與環(huán)路4中電感L1與L2并聯(lián)；

⑤ 環(huán)路5，電容C3與負(fù)載R串聯(lián)形成環(huán)路，此時(shí)電容C3給負(fù)載R供電。

圖2 所提變換器工作模式1等效電路

由上述對(duì)工作模態(tài)1的分析可知：

(1)

(2)

1.2 工作模式2

此時(shí)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中有源開關(guān)管S1、S2關(guān)斷，無源開關(guān)管D1、D2導(dǎo)通，圖3所示為其等效電路圖。此時(shí)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中有5個(gè)電流環(huán)路，具體如下。

① 環(huán)路1，電感L1、電源Vin、電感L2、無源開關(guān)管D1、電容C1串聯(lián)形成環(huán)路，此時(shí)電感L1電壓VL1、電源電壓Vin、電感L2電壓VL2串聯(lián)給電容C1充電；

② 環(huán)路2，電感L1、電源Vin、電感L2、電容C2、無源開關(guān)管D2串聯(lián)形成環(huán)路，此時(shí)電感L1電壓VL1、電源電壓Vin、電感L2電壓VL2串聯(lián)給電容C2充電；

③ 環(huán)路3，電感L3、電容C1、無源開關(guān)管D2、電容C3串聯(lián)形成環(huán)路，此時(shí)電感L3電壓VL3與電容C1電壓VC1串聯(lián)給電容C3充電；

④ 環(huán)路4，電感L3、無源開關(guān)管D1、電容C2、電容C3串聯(lián)形成環(huán)路，此時(shí)電感L3電壓VL3與電容C2電壓VC2串聯(lián)給電容C3充電；

⑤ 環(huán)路5，電容C3與負(fù)載R串聯(lián)形成環(huán)路，此時(shí)電容C3給負(fù)載R供電。

圖3 所提變換器工作模式2等效電路

由上述對(duì)工作模態(tài)2的分析可知：

(3)

(4)

2 性能分析

圖4為所提高增益的DC-DC的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在CCM模式下的部分電壓電流波形。其中VC1、VC2、VC3分別為加載在電容C1、C2、C3兩端的電壓，IL1、IL2、IL3分別為流經(jīng)電感L1、L2、L3的電流，VD1、VD2分別為加載在無源二極管D1、D2兩端的電壓，T、Ton、Toff分別為有源開關(guān)管S的時(shí)鐘周期、導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間。

圖4 基于CLD模塊的新型DC-DC升壓變換器的主要波形

2.1 電壓增益M

由變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理可知，在CCM模式下變換器的開關(guān)管一直在工作模態(tài)1與工作模態(tài)2之間循環(huán)切換。現(xiàn)對(duì)圖2與圖3中電感L2和L3運(yùn)用伏秒平衡可知

(5)

L3：(2VC1+Vin-Vo)ton+(VC1-Vo)toff=0

(6)

由于Ton/D=Toff/(1-D)，聯(lián)立式(5)、式(6)可得

(7)

式中，D為開關(guān)管S的占空比。

圖5為本文所提高增益的DC-DC的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和其他文獻(xiàn)中提到的高增益DC-DC升壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就電壓增益在CCM模式下的比較曲線。由此曲線可知本文所提DC-DC升壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在占空比D大于0.34時(shí)，其相較于現(xiàn)階段常見的3種其他DC-DC升壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有較高的電壓增益，這對(duì)于占空比D最佳工作比為0.5～0.8的兩級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)中的DC-DC升壓變換器來說具有重要意義。其避免了DC-DC升壓變換器在過高或過低占空比狀態(tài)下工作時(shí)，給有源開關(guān)管電流和電感電流帶來的巨大紋波值，同時(shí)又滿足了變換器對(duì)高電壓增益的需求。所以本文所提高增益DC-DC新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相較于文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]所提變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在電壓增益上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖5 本文所提變換器和其他高增益變換器在CCM

2.2 開關(guān)管的電壓應(yīng)力

由式(5)、式(6)可知

(8)

(9)

由工作模態(tài)2可知，當(dāng)有源開關(guān)管S關(guān)斷時(shí)電感L1電壓VL1、電源電壓Vin、電感L2電壓VL2串聯(lián)給電容C1充電。于是有

(10)

由圖3可知有源開關(guān)管S兩端的電壓應(yīng)力VS-stress為

(11)

由圖2可知無源開關(guān)管S兩端的電壓應(yīng)力VD-stress為

(12)

由變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理可知，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的有源開關(guān)管S1與S2的電壓應(yīng)力相等且均為VS-stress，其中有源開關(guān)管S1與S2的電壓應(yīng)力分別用VS1-stress、VS2-stress表示；無源開關(guān)管D1、D2的電壓應(yīng)力相等且均為VD-stress，其中無源開關(guān)管D1、D2的電壓應(yīng)力分別用VD1-stress、VD2-stress表示。

表2為所提出的高增益的DC-DC變換器的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、文獻(xiàn)[11]所提變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、文獻(xiàn)[10]所提變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓增益及其有源開關(guān)管S和無源開關(guān)管D上的電壓應(yīng)力參數(shù)。由表2可知本文所提新型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中無論是有源開關(guān)管還是無源開關(guān)管上的電壓應(yīng)力，在當(dāng)占空比D大于0.34時(shí)都明顯小于文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[10]所提變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中有源開關(guān)管和無源開關(guān)管上的電壓應(yīng)力。這使得在變換器元器件選型時(shí)，可以選擇更低額定電壓的元器件，從而達(dá)到降低變換器硬件成本的目的。同時(shí)較低的有源開關(guān)管電壓應(yīng)力能有效地降低其導(dǎo)通阻抗，從而降低能量在有源開關(guān)管上的損耗；較低的無源開關(guān)管電壓應(yīng)力能有效地降低其反向恢復(fù)時(shí)能量在無源開關(guān)管上的損耗；從而有效降低DC-DC變換器在正常工作時(shí)對(duì)能量的消耗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了提高變換器能量轉(zhuǎn)換效率的目的。因此本文所提高增益DC-DC新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相較于文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]所提變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在硬件制作成本和能量轉(zhuǎn)換效率上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

表2 三種變換器的性能比較

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證上述對(duì)本文所提高增益的DC-DC的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所做理論分析的正確性，現(xiàn)按照?qǐng)D1所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)室制作了一臺(tái)額定功率為200 W的試驗(yàn)板，并進(jìn)行了開環(huán)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)板中所用元器件參數(shù)如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)用參數(shù)

圖6為本文所提高增益的DC-DC新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在占空比D=0.7時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。圖6(a)為實(shí)驗(yàn)板的輸入輸出電壓波形，從中可讀出其值Vin=10 V、Vo=100 V，其與理論推算值一致。圖6(b)為實(shí)驗(yàn)板中有源開關(guān)管S1、S2兩端的電壓應(yīng)力波形，從中可讀出其讀數(shù)VS1-stress=VS2-stress=32 V，其值與理論分析值一致。圖6(c)為實(shí)驗(yàn)板中無源開關(guān)管D1、D2兩端的電壓應(yīng)力波形，從中可讀出其讀數(shù)VD1-stress=VD2-stress=65 V，其值與理論分析值一致。因該實(shí)驗(yàn)波形數(shù)據(jù)與理論分析值均一致，從而證明了上述對(duì)本文所提出的高增益的DC-DC新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所做理論分析的正確有效性。

圖6 實(shí)驗(yàn)波形

圖7為本文所提高增益DC-DC新型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)板，在輸入電壓Vin=15 V、負(fù)載R=200 Ω時(shí)，通過改變占空比D的大小來調(diào)節(jié)不同輸出電壓Vo時(shí)所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)板的能量轉(zhuǎn)換效率曲線。從中可得：隨著輸出電壓的增加，本文所提高增益DC-DC新型變換器的能量轉(zhuǎn)換效率越高。

4 結(jié)論

本文提出了一種高增益的DC-DC的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過對(duì)其工作原理的闡述和性能特點(diǎn)的分析加之

圖7 效率曲線

實(shí)驗(yàn)樣板的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)。

① 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中兩有源開光管采用同一控制信號(hào)，其具有控制策略簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)控制電路的硬件要求不高。

② 在較低占空比時(shí)具有較大的電壓增益，能夠滿足新能源發(fā)電系統(tǒng)中對(duì)電壓增益的需求。

③ 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在工作時(shí)開關(guān)管具有較低的電壓應(yīng)力，這對(duì)降低設(shè)備成本、減少能量損耗、提高能量轉(zhuǎn)換效率具有積極作用。

綜上所述，該變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有控制策略簡(jiǎn)單、電壓增益高、開關(guān)管電壓應(yīng)力低等特點(diǎn)，可作為電動(dòng)汽車充電站及電動(dòng)機(jī)車中的DC-DC升壓變換器使用。