基于有源網(wǎng)絡(luò)的后級(jí)聯(lián)型Boost 變換器

趙忠彪

（許昌學(xué)院電氣與機(jī)械工程學(xué)院，許昌461000）

由于太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源轉(zhuǎn)換成的初始電能電壓一般較低，不能滿足傳輸電能電壓及日常使用電能電壓的要求，故研究一些實(shí)用的新型直流升壓變換器成為了新能源利用領(lǐng)域中的重要一環(huán)[1-4]。

雖然理論上傳統(tǒng)Boost 變換器工作在極端占空比狀態(tài)下時(shí)，其能實(shí)現(xiàn)電壓的高增益，但其開關(guān)管和二極管的電壓應(yīng)力都會(huì)比較大，且其二極管在反向恢復(fù)的過(guò)程中將會(huì)導(dǎo)致其開關(guān)管開通時(shí)產(chǎn)生很大的尖峰電流，從而也會(huì)降低變換器的能量裝換效率[5-6]。雖然變壓器或帶耦合電感的直流升壓變換器能夠?qū)崿F(xiàn)電壓的高增益，但變比較大的變換器和耦合電感的漏感均會(huì)引起電壓尖峰，這對(duì)變換器的使用壽命和電磁干擾都是極其不利的[7-8]。這在要求變換器體積較小、便于攜帶安裝的新能源應(yīng)用領(lǐng)域也是不占優(yōu)勢(shì)的。級(jí)聯(lián)型變換器是將2 種直流升壓變換器進(jìn)行前后級(jí)聯(lián)， 雖能實(shí)現(xiàn)較高的電壓變比，但其前級(jí)開關(guān)管的電壓應(yīng)力較大，后級(jí)二極管的電壓應(yīng)力也較大。 開關(guān)電感型直流升壓變換器，雖然解決了開關(guān)管電壓應(yīng)力較大的問(wèn)題，但其后級(jí)二極管的電壓應(yīng)力仍然較大[9]。 開關(guān)電容型直流升壓變換器，雖然解決了二極管電壓應(yīng)力較大的問(wèn)題，但其電感電流較大和開關(guān)管電壓應(yīng)力較大的問(wèn)題仍然存在[10]。

本文在開關(guān)電容型（級(jí)聯(lián)型）和開關(guān)電感型（有源網(wǎng)絡(luò)型）直流升壓變換器的基礎(chǔ)上，提出一種基于有源網(wǎng)絡(luò)的后級(jí)聯(lián)型Boost 變換器，其結(jié)合有源網(wǎng)絡(luò)和后級(jí)聯(lián)型直流升壓變換器的優(yōu)點(diǎn)， 使其實(shí)現(xiàn)電壓變比較高、 開關(guān)管和二極管電壓應(yīng)力較小的目的。

1 新型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

有源網(wǎng)絡(luò)如圖1 所示。 其中，開關(guān)管S1與開關(guān)管S2參數(shù)一致，且采用同步控制策略；電感L1與電感L2參數(shù)一致，且其電感均為L(zhǎng)。 當(dāng)該有源網(wǎng)絡(luò)中2 個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電感L1、L2并聯(lián)充電；當(dāng)2個(gè)開關(guān)管同時(shí)關(guān)斷時(shí)，電感L1、L2串聯(lián)放電。

本文在結(jié)合上述有源網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上， 提出了一種新型的后級(jí)聯(lián)型Boost 變換器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 有源網(wǎng)絡(luò)Fig. 1 Active network

圖2 基于有源網(wǎng)絡(luò)的后級(jí)聯(lián)型Boost 變換器Fig. 2 Post-cascade Boost converter based on active network

2 新型變換器工作模態(tài)

本文所提新型Boost 變換器共有3 種工作模態(tài)：

（1）工作模態(tài)1：開關(guān)管S1、S2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)的電感電流線性上升；

（2）工作模態(tài)2：開關(guān)管S1、S2同時(shí)關(guān)斷時(shí)的電感電流線性衰減；

（3）工作模態(tài)3：開關(guān)管S1、S2同時(shí)關(guān)斷時(shí)的電感電流為0。

新型變換器工作模態(tài)1 和工作模態(tài)2 的等效電路如圖3 所示。 為簡(jiǎn)化本文對(duì)該新型Boost 變換器的理論分析，現(xiàn)做如下假設(shè)：變換器中所有開關(guān)管和二極管都是瞬時(shí)動(dòng)作的，變換器中所有電容都不考慮其電壓的波動(dòng)，不考慮變換器在能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中的能量損耗。

圖3 等效電路Fig. 3 Equivalent circuit

2.1 工作模態(tài)1

此時(shí)變換器中開關(guān)管S1、S2在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下同時(shí)導(dǎo)通，其對(duì)應(yīng)的等效電路如圖3（a）所示。

由圖3（a）可知，此時(shí)電源Vin分別給電感L1、L2并聯(lián)充電，有

式 中，IL1、IL2分 別 為 此 模 態(tài) 下 流 經(jīng) 電 感L1、L2的 電流，且其值相等。

由圖3（a）可知，此時(shí)電容C1通過(guò)開關(guān)管S2和S1，與電源Vin串聯(lián)后過(guò)二極管D2給電容C3充電，有

式中，VC1、VC3分別為此時(shí)電容C1、C3兩端的電壓。

由圖3（a）可知，此時(shí)電容C2通過(guò)二極管D2，與

電容C3串聯(lián)后過(guò)二極管D4給電容C4充電，有

式中，VC2、VC4分別為此時(shí)電容C2、C4兩端的電壓。

由圖3（a）可知，負(fù)載R 始終由電容C4供電，有

式中，VO為該新型變換器的輸出電壓。

2.2 工作模態(tài)2

此時(shí)變換器中開關(guān)管S1、S2在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下同時(shí)關(guān)斷，其對(duì)應(yīng)的等效電路如圖3（b）所示。

由圖3（b）可知，此時(shí)電感L1、L2與電源Vin三者串聯(lián)后，通過(guò)二極管D1給電容C1充電，有

式中，VL1、VL2分別為此時(shí)電感L1、L2兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 VL1、VL2的表達(dá)式為

式 中，iL1、iL2分 別 為 此 模 態(tài) 下 流 經(jīng) 電 感L1、L2的 電流，且其值相等。

由圖3（b）可知，此時(shí)電容C3通過(guò)二極管D1和D3，給電容C2充電，有

2.3 工作模態(tài)3

此時(shí)變換器中開關(guān)管S1、S2在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下均保持關(guān)斷狀態(tài)， 且變換器中兩電感L1與L2的電流值均為0，即電感保持開路狀態(tài)。

變換器中僅剩電容C4的電壓VC4為負(fù)載R 供電，形成電流回路。

3 新型變換器性能參數(shù)

由于在該新型Boost 變換器的3 個(gè)工作模態(tài)中，電感L1、L2的器件參數(shù)相同，運(yùn)行方式對(duì)稱且一致，故將其作為相同電感分析。

3.1 電壓變比

1）電感電流連續(xù)模式CCM（continuous conduction mode）

結(jié)合式（1）、式（5）、式（6），對(duì)新型變換器中的電感運(yùn)用伏秒平衡，有

式中，D1、D2為在一個(gè)時(shí)鐘周期TS內(nèi)， 變換器分別工作在工作模態(tài)1、工作模態(tài)2 時(shí)所用時(shí)間占時(shí)鐘周期TS的比例。

結(jié)合式（2）、式（3）、式（4）、式（7），有

將式（9）代入式（8），化簡(jiǎn)可得

因在CCM 下有D2=1-D1，即可化簡(jiǎn)式（10），得

式中，BC為變換器工作在CCM 下時(shí)輸出電壓與輸入電壓之比。

2）電感電流斷續(xù)模式DCM（discontinuous current mode）

結(jié)合式（5）、式（6），對(duì)新型變換器中的電容C1運(yùn)用安秒平衡，有

由文獻(xiàn)[7]可知，在DCM 下，有

將式（12）、式（13）代入式（10），消去D2和VC1，可得

式中，BD為變換器工作在DCM 下時(shí)， 變換器的輸出電壓與輸入電壓之比。

由于在新能源應(yīng)用領(lǐng)域中的直流升壓變換器常工作于CCM，所以下文所做分析均在CCM 下進(jìn)行。

3.2 電壓應(yīng)力

1）電容電壓應(yīng)力

由式（9）、式（11）、式（3）、式（7）、式（4）可得

2）二極管電壓應(yīng)力

由圖3（a）和圖3（b）可知

3）開關(guān)管電壓應(yīng)力

由圖3（b）可知

式中，VS1、VS2分別為開關(guān)管S1、S2兩端的電壓應(yīng)力。

由式（5）、式（9）、式（11）可得

將式（18）代入式（17），化簡(jiǎn)可得

將式（11）代入式（19），化簡(jiǎn)可得

3.3 電感電流應(yīng)力

結(jié)合圖3（a），由式（1）可得

式中，ILmin為電感電流的最小值。

結(jié)合圖3（b），對(duì)新型變換器中的電容C1運(yùn)用

安秒平衡，可得

式中，IA為電感電流的平均值。 化簡(jiǎn)式（22），可得

圖4 所示為新型變換器中電感電流隨時(shí)間變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 結(jié)合圖4，并聯(lián)立式（21）和式（23），可得

將式（24）代入式（21），可得

式中，IM為變換器的最大電感電流。

圖4 電感電流值時(shí)間關(guān)系Fig. 4 Relationship between inductor current and time

4 新型變換器性能對(duì)比

表1 給出了本文和文獻(xiàn)[9]、文獻(xiàn)[10]所提變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及傳統(tǒng)Boost 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要性能參數(shù)的對(duì)比。

表1 參數(shù)橫向?qū)Ρ萒ab. 1 Comparison among parameters

由BC可知，在占空比D 相同的情況下，本文所提變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有最高的電壓變比，其在要求具有高電壓變比的新能源應(yīng)用領(lǐng)域中具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)；由VS1可知，在占空比D 相同的情況下，本文所提變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有最小的開關(guān)管電壓應(yīng)力參數(shù)；由VD1可知，在占空比D 相同的情況下，本文所提變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有最小的二極管電壓應(yīng)力參數(shù)。 較小的開關(guān)管和二極管電壓應(yīng)力參數(shù)，使得在制作變換器結(jié)構(gòu)時(shí)的元器件選型中能很好地節(jié)約成本，且其是能反映變換器整體能量轉(zhuǎn)換效率較高的重要參數(shù)，故本文所提變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有更小的硬件制作成本且其具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率，能更好地滿足新能源應(yīng)用領(lǐng)域中對(duì)直流升壓變換器的需求。

5 新型變換器實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證本文所提變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效性及上述對(duì)該新型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)所做分析的正確性， 在實(shí)驗(yàn)室對(duì)該新型變換器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)表1 中所列的新型變換器的4 種參數(shù)進(jìn)行了波形采集。實(shí)驗(yàn)所用元器件參數(shù)為：L 為150 μH；電容C1、C2、C3、C4的電容值均為47 μF； 開關(guān)管S1、S2的型號(hào)為IRFP260N；二極管D1、D2、D3、D4的型號(hào)為BYV34-500。

輸入輸出電壓波形及其開關(guān)管電壓應(yīng)力波形如圖5 所示。 由圖5 可知， 實(shí)驗(yàn)所設(shè)開關(guān)頻率f=50 kHz，占空比D=0.5。從圖中可看出：當(dāng)輸入電壓Vin為10 V 時(shí)，其輸出電壓VO為80 V，而開關(guān)管上的電壓應(yīng)力VS1為20 V。 代入式（11）、式（20）可得，相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相一致。

圖5 輸入輸出波形及其開關(guān)管電壓應(yīng)力波形Fig. 5 Waveforms of input and output voltage and the voltage stress in a switching tube

二極管D1、D3的電壓應(yīng)力波形如圖6 所示。 由圖6 可知，在上述實(shí)驗(yàn)條件下，二極管D1、D3上的電壓應(yīng)力VD1、VD3均為40 V。 代入式（16）可得，實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果與理論分析值相一致。

圖6 二極管D1、D3 的電壓應(yīng)力波形Fig. 6 Waveforms of voltage stress in diodes D1 and D3

圖7 所示為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)輸入電壓Vin固定為20 V時(shí)，在通過(guò)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)控制信號(hào)的占空比D 來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)整輸出電壓VO的過(guò)程中， 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對(duì)應(yīng)不同輸出電壓VO時(shí)的能量轉(zhuǎn)換效率。由圖7 可知，所提變換器的能量轉(zhuǎn)換效率隨輸出電壓的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律， 當(dāng)輸出電壓為150 V 時(shí)，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值94.2%。

圖7 效率曲線Fig. 7 Efficiency curve

6 結(jié)語(yǔ)

本文在分析了新能源應(yīng)用領(lǐng)域中對(duì)直流升壓變換器的需求后， 結(jié)合現(xiàn)階段對(duì)直流升壓變換器的研究成果， 特別是對(duì)有源網(wǎng)絡(luò)型和后級(jí)聯(lián)型升壓變換器的研究， 提出了一種基于有源網(wǎng)絡(luò)的后級(jí)聯(lián)型Boost 變換器。通過(guò)一系列的對(duì)該新型變換器的工作原理及其各方面性能參數(shù)進(jìn)行分析、論證后，得出了該新型變換器具有電壓變比較高、 開關(guān)管和二極管電壓應(yīng)力較小的優(yōu)點(diǎn)。 外加其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是無(wú)變壓器的非隔離型變壓器，體積較小，便于安裝攜帶，故其能適用于新能源應(yīng)用領(lǐng)域中的直流升壓環(huán)節(jié)。