榮德生, 陳靚, 孫瑄瑨, 寧博
(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,遼寧 葫蘆島 125105;2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司葫蘆島供電公司,遼寧 葫蘆島 125105)
隨著光伏發(fā)電技術(shù)[1]不斷推廣和應(yīng)用,其核心部件DC-DC變換器的高效高增益[2-4]的研究,逐漸成為光伏發(fā)電系統(tǒng)[5]研究的熱點(diǎn)。
目前實(shí)現(xiàn)DC-DC變換器高增益的技術(shù)方向[6-9]多種多樣。其中含耦合電感變換器[10-16]是升壓變換器的一大典型類別,在提高了電壓增益的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)輸出的靈活性和可控性,時(shí)下應(yīng)用廣泛。但該類變換器由于漏感的存在,實(shí)現(xiàn)高增益的同時(shí),降低了變換器的工作效率;且傳統(tǒng)的單一耦合結(jié)構(gòu)會(huì)與寄生電容發(fā)生諧振,造成瞬間的尖峰電壓,不但增加開關(guān)管電壓應(yīng)力,還會(huì)影響變換器乃至發(fā)電系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。
圍繞如何解決上述問題,學(xué)者們開展了一系列的研究:文獻(xiàn)[10]在單一的耦合結(jié)構(gòu)上提出雙耦合設(shè)想,能夠提高變換器增益,但無法改善原有的漏感問題;文獻(xiàn)[11-12]不拘泥于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),結(jié)合開關(guān)電容與耦合電感變換器,進(jìn)一步提高電壓增益,但不可避免地增加了磁件設(shè)計(jì)的難度;文獻(xiàn)[13]基于傳統(tǒng)耦合電感網(wǎng)絡(luò),并引入三電平思想,提高了電壓增益,仍缺乏對開關(guān)管電壓應(yīng)力的有效降低手段;文獻(xiàn)[14]針對耦合電感型Boost變換器引入鉗位、整流單元等技術(shù),初步解決了耦合電感的漏感問題,但缺少具體的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用分析;文獻(xiàn)[15]在文獻(xiàn)[14]的基礎(chǔ)上進(jìn)一步系統(tǒng)闡述耦合電感變換器的各類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),剖析內(nèi)在聯(lián)系,其中重點(diǎn)對有源鉗位的改進(jìn)方式,采用能量吸收支路的思路;文獻(xiàn)[16]對文獻(xiàn)[15]中提出的耦合電感變換器詳細(xì)解析,提出耦合電感倍壓單元結(jié)構(gòu),引入一般變換器提高其增益,但仍做不到無損吸收漏感能量。
本文在文獻(xiàn)[9]所提基本耦合電感Boost變換器的基礎(chǔ)上,分析耦合電感類DC-DC變換器的構(gòu)成。將耦合電感副邊與一組二極管-電容(D-C)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合得到副邊倍壓結(jié)構(gòu),再將該結(jié)構(gòu)與開關(guān)電容結(jié)構(gòu)相結(jié)合,即可得到耦合電感-二極管-電容組合結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上拓展出一類耦合電感-二極管-電容組合的高增益DC-DC變換器,這一類變換器在實(shí)現(xiàn)變換器高增益變換的同時(shí),利用結(jié)構(gòu)中一個(gè)D-C支路為鉗位吸收支路,抑制由于漏感與開關(guān)器件寄生電容諧振所產(chǎn)生的電壓沖擊。以其中一種采用該單元結(jié)構(gòu)的變換器為例,詳細(xì)分析該結(jié)構(gòu)變換器在CCM(continuous conduction mode,CCM)模式和DCM(discontinuous conduction mode,DCM)模式下變換器的工作原理,最終通過仿真與搭建實(shí)驗(yàn)機(jī)對理論進(jìn)行驗(yàn)證。
文獻(xiàn)[5]所提的基本耦合電感Boost變換器如圖1所示,該變換器由三部分組成:帶有耦合電感原邊的前級儲能結(jié)構(gòu)、帶有耦合電感副邊的倍壓結(jié)構(gòu)以及二極管電容(DC)輸出結(jié)構(gòu)。
圖1 基本耦合電感Boost變換器
對于具有耦合電感的升壓DC-DC變換器來說,其均可由上述三種結(jié)構(gòu)組合而來。其中,耦合電感倍壓結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)變換器高增益變換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
構(gòu)建耦合電感-二極管-電容組合的高增益DC-DC變換器,從以下三部分進(jìn)行分析:
1)前級儲能結(jié)構(gòu)。
對于耦合電感PWM型變換器來說,據(jù)耦合電感原邊n1和開關(guān)管S位置的不同,可以簡單地分為Boost型和Buck-Boost型兩種結(jié)構(gòu),如圖2所示。
圖2 兩種前級結(jié)構(gòu)
根據(jù)不同的前級結(jié)構(gòu),即可對后級耦合電感倍壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2)耦合電感-二極管-電容組合結(jié)構(gòu)。
由于耦合電感副邊n2的能量是由原邊n1儲能得到的,故其可與一組二極管-電容(D-C)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合,得到副邊組合結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。再將該結(jié)構(gòu)與開關(guān)電容結(jié)構(gòu)相結(jié)合,即可得到耦合電感-二極管-電容組合結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)利用耦合電感漏感抑制了開關(guān)電容中較大電流沖擊,同時(shí)還可以利用開關(guān)電容中結(jié)構(gòu)中的一個(gè)的D-C支路作為耦合電感的鉗位吸收支路,抑制了因漏感產(chǎn)生的開關(guān)管兩端較大的電壓沖擊。
以一種常見的“X型”開關(guān)電容結(jié)構(gòu)為例,依據(jù)上述思想,引入副邊組合結(jié)構(gòu),得到一種耦合電感-二極管-電容組合結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示。其中,二極管D2-C1為開關(guān)管的鉗位支路。
圖3 耦合電感-二極管-電容組合結(jié)構(gòu)構(gòu)成
3)D-C輸出結(jié)構(gòu)。
變換器的輸出D-C結(jié)構(gòu)根據(jù)輸出二極管方向,可分為同向輸出型以及反向輸型,兩種結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 兩種輸出結(jié)構(gòu)
將上述三個(gè)部分選取合適結(jié)構(gòu)進(jìn)行級聯(lián),即可構(gòu)造出高增益耦合電感-二極管-電容組合的耦合電感高增益變換器。
依據(jù)1.2節(jié)的構(gòu)造思路,可提出一系列的耦合電感-二極管-電容組合的耦合電感高增益變換器。根據(jù)不同的前級結(jié)構(gòu),可分為Boost型變換器族和Buck-Boost型變換器族,對應(yīng)的兩類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5、圖6所示。
圖5 高增益耦合電感Boost變換器族
圖6 高增益耦合電感Buck-Boost變換器族
選取圖5(a)中的I型高增益耦合電感Boost變換器結(jié)構(gòu)做具體的拓?fù)浞治觯涞刃ЫY(jié)構(gòu)如圖7所示。其中耦合電感結(jié)構(gòu)由耦合電感漏感Lk,勵(lì)磁電感Lm,以及匝比N=n2/n1的理想變壓器組成。
圖7 變換器的等效電路圖
為便于變換器工作原理分析,有以下假設(shè):
1)開關(guān)管、二極管為理想器件,導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間為0、導(dǎo)通壓降為0;
2)電容為理想器件,忽略電容的紋波電壓;
3)考慮耦合電感漏感Lk對變換器性能的影響,耦合系數(shù)k=Lm/(Lm+Lk)、耦合電感匝比N=n2/n1。
2.1.1 CCM模式
當(dāng)變換器一個(gè)開關(guān)周期內(nèi),勵(lì)磁電感電流連續(xù),即變換器工作在CCM模式下。此時(shí)共存在5種工作模態(tài),其基本波形如圖8所示,對應(yīng)的工作模態(tài)如圖9所示。
圖8 CCM工作模態(tài)基本波形
圖9 變換器CCM工作模態(tài)
工作模態(tài)1[t0,t1]:開關(guān)管S開通,二極管D1,D2,D3截止,Do導(dǎo)通;電源通過S為電感Ln1儲能,勵(lì)磁電感電流iLm及漏感電流iLk增加;耦合電感的二次側(cè)經(jīng)C1,C2過S與D3為負(fù)載供電。
工作模態(tài)2[t1,t2]:由于較小的漏感該階段時(shí)間短,S關(guān)斷,二極管D2,Do導(dǎo)通,D1,D3截止;漏感Lk,C3放電給C1,其電流快速下降,將開關(guān)管S的端電壓鉗位于VC1-VC3;同時(shí),輸入電源同耦合電感二次側(cè)過C2為負(fù)載供電。至t2時(shí)刻,電流iLn2下降為零,Do關(guān)斷,模態(tài)結(jié)束。
工作模態(tài)3[t2,t3]:開關(guān)管仍關(guān)斷,二極管D1,D2導(dǎo)通,D3,Do截止;漏感Lk與電容C3為C1充電,電流iLk與電流iD2持續(xù)下降;輸入Vin串聯(lián)耦合電感原副邊通過D1共同為電容C2充電,電流iD1自零線性上升;電容Co為負(fù)載供電。至t3時(shí)刻,電流iLD2下降為零,D2關(guān)斷,模態(tài)結(jié)束。
工作模態(tài)4[t3,t4]:,開關(guān)管S繼續(xù)關(guān)斷,二極管D1,Do截止,D2,D3導(dǎo)通;輸入Vin串聯(lián)耦合電感原副邊仍為C2充電;耦合電感副邊Ln2通過D3放電給電容C3;此時(shí),電感L1經(jīng)過D1為電容C3充電;電容Co持續(xù)為負(fù)載供電。
工作模態(tài)5[t4,t5]:此段極小時(shí)間內(nèi)S導(dǎo)通,二極管D2,Do截止,D1,D3導(dǎo)通;輸入電源Vin為電感Ln1儲能,一次側(cè)電流線性上升;耦合電感副邊仍為電容C3放電;電容Co依舊提供負(fù)載供電。至t5時(shí)刻,二次側(cè)電流下降為零,D3關(guān)斷。
2.1.2 DCM模式
當(dāng)變換器一個(gè)開關(guān)周期內(nèi),勵(lì)磁電感電流斷續(xù),即變換器工作在DCM模式下。此時(shí)共存6種工作模態(tài),對應(yīng)工作模態(tài)如下圖10所示,其基本波形如圖11所示。
圖10 變換器DCM工作模態(tài)
圖11 DCM工作模態(tài)基本波形
其中,工作模態(tài)2[t1,t2]與工作模態(tài)3[t2,t3]同CCM模式下的一致,不再具體贅述。
工作模態(tài)1[t0,t1]:開關(guān)管S開通,二極管D1,D2,D3截止,Do導(dǎo)通;電源通過S電感為Ln1儲能,勵(lì)磁電感電流iLm及漏感電流iLk增加;耦合電感的二次側(cè)經(jīng)C1,C2過S與D3為負(fù)載供電,電流iDo自零線性上升。
工作模態(tài)4[t3,t4]:開關(guān)管S繼續(xù)關(guān)斷,二極管Do,D2截止,D1,D3導(dǎo)通;輸入Vin串聯(lián)耦合電感原副邊過二極管D1為C2充電,iD1線性下降;耦合電感副邊Ln2通過D3放電給電容C3;電容Co持續(xù)為負(fù)載供電。至t4時(shí)刻,電流iD1下降為零,D1關(guān)斷,模態(tài)結(jié)束。
工作模態(tài)5[t4,t5]:開關(guān)管S繼續(xù)關(guān)斷,二極管D1,D2,Do截止,D3導(dǎo)通;耦合電感副邊Ln2通過D3放電給電容C3,電流iD3線性下降;電容Co依舊提供負(fù)載供電。至t5時(shí)刻,電流iD3下降為零,模態(tài)結(jié)束。
工作模態(tài)6[t5,t6]:開關(guān)器件均關(guān)斷,此時(shí)電感電流斷續(xù)模態(tài),勵(lì)磁電感Lm、漏感Lk不再釋放能量,電容Co依舊提供負(fù)載供電。
1)性能分析。
經(jīng)上節(jié)對變換器在CCM模型下的模態(tài)分析,對穩(wěn)態(tài)分析時(shí)可忽略時(shí)間較小的過渡模態(tài),即不考慮模態(tài)2和模態(tài)5。
工作模態(tài)1各回路電壓關(guān)系為:
(1)
工作模態(tài)3各回路電壓方程為:
(2)
對應(yīng)工作模態(tài)4存在如下電壓關(guān)系:
(3)
基于上述電壓關(guān)系,根據(jù)電感電壓伏秒積面積平衡原理可得變換器的電壓增益
(4)
設(shè)k=1,各電容、二極管器件電壓應(yīng)力如下:
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
開關(guān)管S的電壓應(yīng)力為
(11)
2)臨界電感值的計(jì)算。
在DCM模式下,忽略漏感對變換器影響的短時(shí)間模態(tài),變換器的主要電流波形如下圖12所示。此外,令占空比DL=D2+D3,為勵(lì)磁電感Lm下降至零的占空比。
圖12 DCM工作模態(tài)基本波形
設(shè)勵(lì)磁電感電流iLm的峰值為
(12)
得到各二極管的平均電流如下:
(13)
(14)
(15)
k=1時(shí),根據(jù)電容的安秒平衡原理,各二極管的平均電流等于輸出電流Io,得電壓增益為
(16)
引入勵(lì)磁電感時(shí)間常數(shù),表示為
(17)
得占空比DL的表達(dá)式
(18)
將式(18)回代式(16),得變換器C-DCM模式的電壓增益
(19)
當(dāng)變換器處于BCM模式,可推臨界勵(lì)磁電感時(shí)間常數(shù)為
(20)
根據(jù)時(shí)間常數(shù)表達(dá)式,對應(yīng)臨界勵(lì)磁電感τLmB與占空比D的關(guān)系曲線如圖13所示。當(dāng)τLm>τLmB時(shí),變換器工作在C-CCM模式,反之,變換器則處于C-DCM模式。
圖13 臨界勵(lì)磁電感時(shí)間常數(shù)τLmB與占空比D(N=2)
將圖5中本文提出的 I型變換器與常見的幾類變換器對比,幾種變換器的性能參數(shù)如表1所示。
表1 變換器參數(shù)對比
以耦合電感的匝比N=2的固定情況為參考,上述四種變換器的增益對比曲線如圖14,變換器的開關(guān)管電壓應(yīng)力對比曲線如圖15。
圖14 變換器增益對比圖
圖15 開關(guān)管S電壓應(yīng)力對比圖
由圖14可知,本文所提高增益Boost型變換器性能在現(xiàn)有幾大類變換器的基礎(chǔ)上明顯提升電壓增益。而由圖15可知,單元化改善的耦合電感變換器的電壓應(yīng)力最小,實(shí)際應(yīng)用時(shí)能夠選取電壓應(yīng)力更低的MOSFET器件。
對于耦合電感高增益型DC-DC變換器來說,在CCM模式下變換器具有較小的電流紋波,對輸出電容要求相對較低,有利于降低電容的容量與體積。故在進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)中,采用CCM工作模式。
為初步驗(yàn)證上節(jié)理論分析,利用PSIM仿真軟件,對圖5中本文提出的I型變換器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。變換器的控制環(huán)路采用C Block模塊實(shí)現(xiàn),設(shè)置變換器參數(shù)如下:輸入電壓Vin=20 V,輸出電壓Vo=200 V,功率為150 W,耦合電感匝比n=2,開關(guān)頻率f=50 kHz,電容C1=C2=C3=Co=100 μH,勵(lì)磁電感Lm=60 μH,漏感Lk=1.8 μH。
變換器的電壓仿真波形如圖16所示,可以看出,在輸出電壓為200 V的情況下,開關(guān)管S的電壓應(yīng)力僅約43.7 V,變換器占空比D約為0.51,在高增益的情況下保持較低的電壓應(yīng)力,各個(gè)二極管電壓應(yīng)力也均小于輸出電壓。
圖16 變換器電壓仿真波形
變換器電流仿真波形如圖17所示??梢钥闯?,耦合電感原、副邊電流波形變化趨勢與理論分析相符。二極管D2實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷,二極管D1、D3、Do實(shí)現(xiàn)了零電流導(dǎo)通。
圖17 變換器電流仿真波形
對提出的高增益變換器設(shè)計(jì)理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,搭建一個(gè)150 W的樣機(jī),如圖18所示。詳細(xì)的參數(shù)見下表2。
表2 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)
圖18 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)平臺
如圖19所示,為變換器輸出電壓與開關(guān)管應(yīng)力,其中變換器的輸出電壓約200 V,滿足理論分析的高增益;同時(shí),開關(guān)管S的電壓應(yīng)力僅約為43 V,實(shí)現(xiàn)了較低低電壓應(yīng)力,與仿真一致。
圖19 變換器輸出電壓與開關(guān)管電壓應(yīng)力波形圖
各開關(guān)器件的電壓應(yīng)力如圖20中波形所示。由上下圖知,二極管D2的電壓應(yīng)力約為43 V與開關(guān)管S相同;另外,D1、Do的電壓應(yīng)力相同,約為117 V;二極管D3為76 V。圖中波形均符合理論分析,在電壓應(yīng)力參數(shù)上各個(gè)器件均具有良好表現(xiàn)。
圖20 變換器功率器件電壓應(yīng)力波形圖
此外,變換器的各器件電流波形如圖21,其中圖21(a)為變換器一次側(cè)漏感和副邊電流波形圖,圖21(b)~圖21(c)為二極管電流波形圖。可以看出,二極管D2實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷,二極管D1,D3,Do實(shí)現(xiàn)了零電流導(dǎo)通,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真一致。
圖21 變換器電流波形圖
圖22所示為本文所提變換器與表1中的幾類常見升壓變換器在20 V輸入200 V輸出情況下的參考效率曲線??梢钥闯霰疚乃嶙儞Q器在由于具有較高的電壓增益且共用漏感吸收回路,變換器整體效率較高,在110 W左右達(dá)到最高效率約為93.7%。由于變換器均采用手工制板,變換器效率還可進(jìn)一步優(yōu)化。
圖22 變換器效率曲線對比
本文對基本耦合電感Boost變換器進(jìn)行改造,通過添加多個(gè)輔助D-C支路,進(jìn)一步推演出一系列耦合電感-二極管-電容組合的高增益DC-DC變換器,該變換器具有以下特點(diǎn):
1)通過組合D-C支路,變換器的電壓增益明顯提升且增益可通過耦合電感匝比n靈活調(diào)節(jié);
2)利用其中一個(gè)D-C為無源鉗位支路,吸收漏感能量并在主開關(guān)管關(guān)斷后,對其電壓進(jìn)行鉗位,開關(guān)管具有較低的電壓應(yīng)力;
3)拓展出兩類耦合電感-二極管-電容組合的高增益DC-DC變換器,分別為Boost型族和Buck-Boost型族,可應(yīng)用于各種高效高增益場合。