一種低輸入紋波雙開(kāi)關(guān)高增益變換器

張宇辰，湯 雨，凌躍勝

(1.河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130)

在可再生能源中，太陽(yáng)能、氫能的主要利用方式為光伏發(fā)電和燃料電池發(fā)電，具有可再生、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、可以為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供電能等優(yōu)點(diǎn)。但是在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，光伏、燃料電池的輸出電壓與并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中所需的直流電壓相差很大，因此，實(shí)現(xiàn)高增益、高效電能變換的直流升壓變換器是當(dāng)前研究重點(diǎn)。

隔離型升壓變換器[1]通過(guò)調(diào)節(jié)原副邊線圈的匝數(shù)比來(lái)調(diào)整電壓增益，獲得較高的輸出電壓，但是由于匝數(shù)比的增大使得原副邊線圈的耦合性低，變換器的漏感較大，從而造成輸入電流的紋波較大、變換器的效率低等問(wèn)題。在非隔離型變換器中，如果采用傳統(tǒng)Boost 變換器[2]，在理論分析中通過(guò)將占空比提高至接近于1 時(shí)，可以獲得極高的電壓增益，但在實(shí)際中，當(dāng)占空比大于一定的數(shù)值后，由于電感器、電容器中內(nèi)阻以及開(kāi)關(guān)管寄生參數(shù)的影響，造成較大的電感電流紋波、開(kāi)關(guān)管關(guān)斷電流以及二極管的電壓應(yīng)力等問(wèn)題，變換器的效率降低，不能實(shí)現(xiàn)變換器的高增益。通過(guò)利用開(kāi)關(guān)電容單元也可以提高變換器的增益比，但是由于開(kāi)關(guān)電容[3-4]個(gè)數(shù)增加，電容充放電過(guò)程中容易產(chǎn)生尖峰電流，同時(shí)增加了成本，降低了效率。

一些文獻(xiàn)利用開(kāi)關(guān)電感[5]的方法實(shí)現(xiàn)變換器的高增益，但是需要增加額外的電容器或二極管，這些額外的組件增大了功率損耗，降低了效率?；隈詈想姼衃6]的非隔離型直流升壓變換器雖然可以實(shí)現(xiàn)高增益，但是其電路復(fù)雜，增大了輸入電流紋波，且需要增加額外的電路來(lái)吸收耦合電感中的漏感能量。轉(zhuǎn)換器的額外電路也會(huì)增加功率損耗、成本和整體電路的質(zhì)量。文獻(xiàn)[7]提出的變換器利用電容器作為電壓源實(shí)現(xiàn)電壓高增益，但是電容在充放電時(shí)，容易產(chǎn)生尖峰脈沖且輸入電流是脈動(dòng)的，增加了功率損耗，減低了效率。

本文研究了一種高增益雙開(kāi)關(guān)升壓變換器，其基本思路為：利用同步脈沖寬度調(diào)制(PWM)波形控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，將電感器L1中的電能通過(guò)電容器間接傳遞給電感器L2，從而實(shí)現(xiàn)變換器直流電壓的高增益、輸入電流的連續(xù)性以及低電感電流，提高了效率。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

從理論上，根據(jù)傳統(tǒng)Boost 變換器的電壓增益表達(dá)式，在占空比接近于1 時(shí)，其電壓增益很大。但是，由于變換器中各個(gè)組件寄生參數(shù)的影響，在占空比大于一定的數(shù)值后，其變換器的電壓增益大大降低。除此之外，還存在一些問(wèn)題：電感器存在較大的電流紋波；二極管的導(dǎo)通時(shí)間變短且通過(guò)的輸出電流峰值很大，反向恢復(fù)損耗嚴(yán)重；由于開(kāi)關(guān)管關(guān)斷電流較大，開(kāi)關(guān)損耗也較大；變換器的效率大大降低。

為了使變換器實(shí)現(xiàn)電壓高增益，提出了一種低輸入紋波雙開(kāi)關(guān)高增益變換器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。該變換器由兩個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管S1、S2，兩個(gè)二極管D1、D2，兩個(gè)電感器L1、L2，兩個(gè)電容器C1、C2構(gòu)成。當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電源VS和電容器C1串聯(lián)對(duì)電感器L2進(jìn)行充電，電感器L2的電流增加，同時(shí)電源VS對(duì)電感器L1進(jìn)行充電，電感器L1的電流增加。當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電源VS和電感器L1對(duì)電容器C1充電，電容器C1的電壓增大，同時(shí)電源VS和電感器L2對(duì)電容器C2和負(fù)載R提供電能，從而增大輸出電壓。將兩個(gè)電感器的一側(cè)接入到輸入端，保持輸入電流連續(xù)性的同時(shí)，電感器的電流也較小，從而提高效率。

圖1 高增益雙開(kāi)關(guān)升壓變換器

1.2 工作原理

該變換器中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同步PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)。圖2 為該變換器在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的主要波形，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)變換器有兩種工作模態(tài)，兩種工作模態(tài)的等效電路圖如圖3～4 所示。

圖2 變換器的主要波形

圖3 工作模態(tài)1

圖4 工作模態(tài)2

工作模態(tài)1：變換器在半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管S1和S2導(dǎo)通時(shí)的情況如圖3 所示。此時(shí)二極管D1和D2由于反向偏置電壓不導(dǎo)通。電源VS給電感器L1充電的同時(shí)，與電容器C1串聯(lián)給電感器L2充電，電感器L1和L2的電流增加；電容器C1的電壓減小；負(fù)載由電容器C2提供電能。在該工作模式下，電感器L1和L2以及電容器C1和C2的狀態(tài)表達(dá)式如式(1)所示。

工作模態(tài)2：變換器在半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管S1和S2斷開(kāi)時(shí)的情況如圖4 所示。此時(shí)二極管D1和D2受正向偏置電壓導(dǎo)通。電源與電感器L2串聯(lián)給負(fù)載提供能量，同時(shí)為電容器C2充電，電感器L2的電流減??；電源與電感器L1串聯(lián)為電容器C1充電，電感器L1的電流減小，電容器C1的電壓增加。在該工作模式下，電感器L1和L2以及電容器C1和C2的狀態(tài)表達(dá)式如式(2)所示。

根據(jù)伏秒平衡原理，電感器在穩(wěn)定狀態(tài)下的輸出電壓為0。因此，根據(jù)式(1)～(2)，可得直流電壓增益：

進(jìn)一步簡(jiǎn)化式(3)，可得連續(xù)導(dǎo)通模態(tài)下變換器的直流電壓增益G：

2 參數(shù)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證上述分析的正確性，對(duì)高增益雙開(kāi)關(guān)升壓變換器進(jìn)行仿真驗(yàn)證，其主要參數(shù)為：輸入電壓VS為40 V；輸出電壓VO為380 V；輸出功率PO為500 W；開(kāi)關(guān)頻率?S為100 kHz。

2.1 電感器L1、L2設(shè)計(jì)

根據(jù)圖2 中開(kāi)關(guān)管S1、S2導(dǎo)通狀態(tài)下，可得電感電流的紋波表達(dá)式：

選擇電感器電流紋波小于電感電流的平均值的20%進(jìn)行設(shè)計(jì)。將變換器的主要參數(shù)值帶入式(6)可得電感器的參數(shù)值，取電感器L1=0.16 mH，L2=1.5 mH。

2.2 電容器C1、C2設(shè)計(jì)

理論分析中一般將電容器認(rèn)為恒壓源，但是在實(shí)際中電容電壓存在波動(dòng)。根據(jù)圖2，在開(kāi)關(guān)管S1、S2導(dǎo)通狀態(tài)下，可得電容器電壓的紋波表達(dá)式：

選擇電容器C1、C2電壓紋波小于電容電壓的平均值的1%進(jìn)行設(shè)計(jì)。將變換器的主要參數(shù)值帶入式(8)可得電容器的參數(shù)值，取電容器C1=22.5 μF，C2=2.35 μF。

3 性能分析與比較

3.1 性能分析

基于上述該變換器在穩(wěn)態(tài)中連續(xù)導(dǎo)通模態(tài)下運(yùn)行的理論分析，設(shè)該變換器中的各個(gè)組件均為理想的。根據(jù)式(1)～(2)可得到該變換器中各個(gè)組件相應(yīng)的電壓、電流應(yīng)力表達(dá)式，如表1 所示。

表1 該變換器各組件電壓、電流表達(dá)式

3.2 性能比較

本文對(duì)一些使用較少組件的變換器與高增益雙開(kāi)關(guān)升壓變換器進(jìn)行了性能的對(duì)比，變換器各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比如表2所示。

表2 該變換器與其他變換器的性能對(duì)比

變換器的電壓增益對(duì)比圖如圖5 所示。圖5 和表2 證明了高增益雙開(kāi)關(guān)升壓變換器在相同占空比下具有更高的電壓增益。對(duì)比文獻(xiàn)[5-7]提出的升壓變換器，本文研究的高增益雙開(kāi)關(guān)升壓變換器組件更少，電壓增益更高，并且其輸入端的電流無(wú)脈動(dòng)，工作性能更好。文獻(xiàn)[8]提出的變換器減小了輸入電流的脈動(dòng)性，但是其控制復(fù)雜，電壓增益在占空比大于0.333 時(shí)較低，開(kāi)關(guān)管在電壓增益大于5 時(shí)承受較大的電壓應(yīng)力。

圖5 電壓增益對(duì)比圖

4 仿真分析與驗(yàn)證

4.1 電壓增益的驗(yàn)證分析

為了證明上述理論的正確性，本文利用Matlab/Simulink軟件對(duì)該變換器進(jìn)行仿真驗(yàn)證，其各組件的參數(shù)值為：輸入電壓VS為40 V；輸出電壓VO為380 V；輸出功率PO為500 W；開(kāi)關(guān)頻率fS為100 kHz；電感器L1=0.16 mH，L2=1.5 mH；電容器C1=22.5 μF，C2=2.35 μF。當(dāng)輸入電壓為40 V，占空比為0.675 6 時(shí)，仿真輸出電壓為375.8 V。與理論計(jì)算值大致相等，輸出電壓波形如圖6 所示。此時(shí)電壓增益達(dá)到了9.5 倍，與傳統(tǒng)Boost 變換器相比，電壓增益極大地得到提高，驗(yàn)證了該變換器能夠?qū)崿F(xiàn)電壓高增益的特性。此外，還對(duì)該變換器與傳統(tǒng)Boost 變換器在占空比接近于1 時(shí)進(jìn)行仿真對(duì)比，選取占空比D為0.8 時(shí)，其輸出電壓對(duì)比如圖7 所示。該變換器輸出電壓的平均值為619.482 V，而傳統(tǒng)Boost 變換器輸出電壓的平均值為124.949 V，該變換器的輸出電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)Boost 變換器的輸出電壓。

圖6 輸出電壓VO波形

圖7 該變換器與傳統(tǒng)Boost變換器電壓對(duì)比圖

4.2 輸入電流與電感電流的驗(yàn)證分析

分別測(cè)量了輸入電流和電感電流，如圖8 所示，輸入電流是連續(xù)的。電感器L1的電流平均值為8.32 A，電感器L2的電流平均值為3.985 A，其電流紋波均小于20%。與上述文獻(xiàn)的變換器相比，該變換器的兩個(gè)電感器在輸入電流端為并聯(lián)，流入電感內(nèi)的電流變小，同時(shí)保持了輸入電流的連續(xù)性。

5 結(jié)論

本文研究了具有雙開(kāi)關(guān)的高增益升壓變換器，通過(guò)仿真與一些現(xiàn)有變換器的性能對(duì)比，表明該變換器具有以下優(yōu)點(diǎn)：能夠?qū)崿F(xiàn)高電壓增益，輸出電壓明顯得到提高；輸入電流連續(xù)；電感電流值低。本文研究的高增益雙開(kāi)關(guān)升壓變換器可以應(yīng)用在中、小型光伏發(fā)電系統(tǒng)中，是并網(wǎng)時(shí)可以考慮的變換器之一。

圖8 輸入電流與電感電流波形