一種基于Sepic的新型高增益DC/DC變換器

高 雙，趙世偉，張龍威，李江榮

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641)

0 引言

近年來，DC/DC變換器廣泛應(yīng)用在多種工業(yè)領(lǐng)域中。例如在可再生能源的直流微網(wǎng)系統(tǒng)中，太陽能光伏板、燃料電池等微源都需要通過DC/DC變換器與直流母線相連接[1-4]。然而光伏電池和燃料電池這些微源提供的直流電壓較低，要達(dá)到較高的電壓增益，必須要求傳統(tǒng)的Boost變換器工作在極大的占空比下，這樣不僅會(huì)使得開關(guān)損耗增加，而且不利于Boost變換器的長(zhǎng)期工作[5-8]。文獻(xiàn)[9-11]在傳統(tǒng)的Boost變換器基礎(chǔ)上引入開關(guān)電容與開關(guān)電感單元，雖然在一定程度上提高了電壓增益，但是所提升的電壓增益有限，并且所用元器件數(shù)量較多，成本高且不利于控制。除了在傳統(tǒng)的Boost變換器基礎(chǔ)上改進(jìn)得到高增益的DC/DC變換器拓?fù)湟酝猓琒epic變換器以輸入與輸出同相、輸入電流連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)也逐漸應(yīng)用于可再生能源系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[12-13]通過將耦合電感與有源開關(guān)電感單元與傳統(tǒng)的Sepic變換器相結(jié)合提高了變換器的電壓增益，但是所用開關(guān)器件與電感數(shù)量較多，不利于變換器體積的小型化且變換器的控制設(shè)計(jì)較困難。本文在文獻(xiàn)[14]的基礎(chǔ)上提出了一種新型的Sepic高增益DC/DC變換器，將無源鉗位電路和耦合電感單元引入傳統(tǒng)的Sepic變換器中，所提出的變換器具有電壓增益高、輸入電流連續(xù)且紋波小、二極管反向恢復(fù)問題輕等優(yōu)點(diǎn)，并且只使用一個(gè)開關(guān)管，其結(jié)構(gòu)和控制方法較簡(jiǎn)單。

1 變換器工作原理

1.1 電路拓?fù)?/h3>

所提出的變換器等效電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，耦合電感等效為理想變壓器與勵(lì)磁電感并聯(lián)后再與漏感串聯(lián)，匝比N=NS/NP，耦合系數(shù)k=Lm/(Lm+Lk)，其中Lm為勵(lì)磁電感，Lk為漏感。為了便于分析變換器的工作原理，做以下假設(shè)：(1)所提變換器工作在電流連續(xù)模式下；(2)開關(guān)管與所有二極管均為理想器件；(3)所有的電容值足夠大，其電壓紋波值視為零。

圖1 所提變換器等效電路原理圖

1.2 工作原理

當(dāng)變換器工作在穩(wěn)態(tài)時(shí)，元件在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的工作波形如圖2所示，各個(gè)開關(guān)模態(tài)的等效電路如圖3所示。

圖2 變換器工作波形圖

開關(guān)模態(tài)1[t0＜t＜t1]：在t0時(shí)刻，開關(guān)管Q處于零電流開通狀態(tài)，二極管D1、D2導(dǎo)通，二極管Dc、D0關(guān)斷。耦合電感的漏感電流ILk上升，二次側(cè)電流ILs下降，當(dāng)ILs下降到零時(shí)，此時(shí)勵(lì)磁電感電流值與漏感電流值相等，模態(tài)1結(jié)束。

開關(guān)模態(tài)2[t1＜t＜t2]：在t1時(shí)刻，開關(guān)管Q、二極管D0導(dǎo)通，二極管D1、D2、Dc關(guān)斷。鉗位電容Cc在給勵(lì)磁電感提供能量的同時(shí)還為電容C1充電，此時(shí)電容C2、C3放電為負(fù)載提供能量。在此模態(tài)中，漏感與鉗位電容Ce、電容C1之間發(fā)生諧振，此時(shí)可以得到如下等式：

式中fr表示諧振頻率。

開關(guān)模態(tài)3[t2＜t ＜t3]：在t2時(shí)刻，開關(guān)管Q、二極管D1、D2關(guān)斷，二極管Dc、D0導(dǎo)通。輸入電流、勵(lì)磁電感電流、漏感電流均開始下降，當(dāng)勵(lì)磁電感電流下降到與漏感電流相等時(shí)，此模態(tài)結(jié)束。

圖3 各個(gè)開關(guān)模態(tài)等效電路圖

開關(guān)模態(tài)4[t3＜t＜t4]：在t3時(shí)刻，二極管D0關(guān)斷，二極管Dc、D1、D2導(dǎo)通。耦合電感二次側(cè)通過二極管D1、D2給電容C1、C2充電，輸入電壓通過鉗位二極管Dc繼續(xù)給鉗位電容Cc充電，此時(shí)的負(fù)載R能量由輸出電容C0提供。

開關(guān)模態(tài)5[t4＜t ＜t5]：在t4時(shí)刻，鉗位二極管Dc關(guān)斷，二極管D1、D2繼續(xù)導(dǎo)通。電容C1給鉗位電容Cc充電，耦合電感二次側(cè)通過二極管D1、D2繼續(xù)給電容C1、C2充電。

2 工作特性分析

2.1 電壓增益

為方便分析電路在穩(wěn)態(tài)時(shí)的工作特性，忽略模態(tài)1、模態(tài)3這兩個(gè)持續(xù)時(shí)間很短的工作模態(tài)。

根據(jù)開關(guān)模態(tài)2可得到如下等式：

式中VL1表示電感L1上的電壓，其他以此類推。

根據(jù)開關(guān)模態(tài)4可得到如下等式：

結(jié)合式(2)、(3)、(5)、(6)，再根據(jù)輸入電感L1與勵(lì)磁電感Lm的伏秒平衡原理可得：

忽略實(shí)際工作過程中漏感對(duì)變換器的影響，聯(lián)立式(4)、(6)、(7)、(9)，得到理想情況下電壓增益M的表達(dá)式為：

圖4給出了當(dāng)N=2時(shí)，本文所提變換器與傳統(tǒng)Sepic變換器、文獻(xiàn)[15]所提變換器電壓增益對(duì)比圖。可以明顯地看出，本文所提變換器具有更高的電壓增益。

圖4 各變換器電壓增益對(duì)比

2.2 開關(guān)器件的電壓應(yīng)力

開關(guān)管Q以及二極管上的電壓應(yīng)力表達(dá)式如下：

2.3 變換器之間的工作特性比較

表1給出了文中所提變換器與其他變換器之間的一些數(shù)據(jù)特性對(duì)比。從表1中可以看到，本文所提變換器有著更高的電壓增益以及更低的開關(guān)管電壓應(yīng)力，并且所需要的二極管數(shù)量也遠(yuǎn)少于文獻(xiàn)[15]中的變換器，有效降低了電路的成本以及控制的復(fù)雜性。

表1 不同變換器之間的工作特性對(duì)比

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論分析的正確性以及所提變換器的可行性，搭建了一臺(tái)100 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：輸入電壓Vin=20 V，輸出電壓V0=200 V，輸出功率P0=100 W，開關(guān)頻率fs=50 kHz，匝比N=2.5。滿載時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示。示波器的時(shí)基為4 μs/格。

圖5(a)給出了變換器的驅(qū)動(dòng)波形以及輸入電感電流、漏感電流波形圖。當(dāng)變換器滿載工作時(shí)，輸出電壓在占空比為0.6左右達(dá)到了200 V。由于漏感的存在，會(huì)造成一定值的占空比丟失，這也與理論分析保持一致。

圖5(b)、(c)、(d)是開關(guān)管和二極管兩端的電壓和電流波形。如1.2節(jié)分析所示，在開關(guān)管開通的過程中，漏感Lk與鉗位電容Cc、電容C1之間有一個(gè)諧振過程，因此其電流波形并不是完全呈線性變化的，開關(guān)管也基本實(shí)現(xiàn)了零電流開通。同理由于諧振的存在，輸出二極管D0的電流波形呈正弦波變化，有效減輕了反向恢復(fù)的影響。

圖5(e)是電容以及輸出電壓波形。電容C1、C2、C3、Cc的電壓分別為：38 V、58 V、55 V、60 V，其實(shí)際值與理論計(jì)算值基本一致。

圖5 滿載時(shí)實(shí)驗(yàn)波形

圖6是變換器的實(shí)測(cè)與理論電壓增益對(duì)比圖。從圖中可以看出，如果忽略漏感所造成的占空比丟失，實(shí)際測(cè)得的電壓增益曲線與理論計(jì)算的增益曲線基本上是相一致的。

圖6 理論與實(shí)測(cè)電壓增益對(duì)比

4 結(jié)論

本文提出一種新型的Sepic高增益變換器，在保留經(jīng)典Sepic變換器輸入電流連續(xù)和低紋波優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過引入耦合電感單元，改變耦合電感匝比來獲得較高的電壓增益。由于變換器在工作過程中漏感與電容之間產(chǎn)生的諧振，降低了開關(guān)管的電流峰值，同時(shí)也極大地減輕了二極管的反向恢復(fù)問題。針對(duì)上述優(yōu)點(diǎn)，所提出的高增益變換器適合應(yīng)用在可再生能源系統(tǒng)中。