一種改進(jìn)二次型高增益Boost-Sepic變換器

孫毓璞，徐玉珍，金濤

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108）

在新能源發(fā)電系統(tǒng)中，光伏和燃料電池等產(chǎn)生的電壓遠(yuǎn)低于并網(wǎng)所需直流母線(xiàn)電壓。雖然多個(gè)光伏電池板串聯(lián)能夠達(dá)到并網(wǎng)電壓等級(jí)的要求，但是系統(tǒng)效率和可靠性降低、成本升高以及體積加大等問(wèn)題隨之而來(lái)[1-2]。傳統(tǒng)升壓變換器由于電路寄生參數(shù)的影響，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，升壓增益特性受限。因此，研究高電壓增益DC-DC變換器是實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電等低壓輸出新能源系統(tǒng)并網(wǎng)的有效途徑[3-4]。

目前，對(duì)非隔離型變換器實(shí)現(xiàn)高增益主要有以下幾種方案：采用開(kāi)關(guān)電容倍壓?jiǎn)卧獙?shí)現(xiàn)較高的電壓增益，并降低各單元的電壓應(yīng)力；但當(dāng)需要更高電壓增益時(shí)，則需多個(gè)儲(chǔ)能單元串聯(lián)，這不僅會(huì)帶來(lái)成本的增加，也會(huì)引起較大的電流尖峰，增加器件損耗[5-6]。文獻(xiàn)[7]介紹了一種引入耦合電感的辦法，通過(guò)改變?cè)驯瓤色@得較高輸出電壓，但當(dāng)功率MOS 管關(guān)斷時(shí)，耦合電感的漏感會(huì)引起電壓尖峰，影響效率的提高，且使功率MOS 管承受較大的電壓應(yīng)力。文獻(xiàn)[8-9]提出了基于開(kāi)關(guān)電感單元高增益變換器，并利用磁集成技術(shù)和交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)減小電流紋波，但變換器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、控制困難且電壓增益提高有限。文獻(xiàn)[10-11]提出一種采用變換器級(jí)聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)高增益電壓，但由于功率MOS 管數(shù)量多，控制回路復(fù)雜。為了減少級(jí)聯(lián)變換器功率MOS 管數(shù)量，文獻(xiàn)[12-14]提出了單開(kāi)關(guān)高增益級(jí)聯(lián)變換器，簡(jiǎn)化了控制回路，然而當(dāng)輸出電壓較高時(shí)，其功率MOS 管的電壓應(yīng)力也較大。文獻(xiàn)[15]提出一種低電感電流二次型Boost變換器，可減小電感上的電流，但使用了兩個(gè)功率MOS管，并且其中一個(gè)功率MOS 管的電壓應(yīng)力箝位于輸出電壓，輸出二極管的電壓應(yīng)力也大于輸出電壓。文獻(xiàn)[16-17]提出一種集成Boost-Sepic變換器，根據(jù)理論與仿真分析可知，該變換器可減小功率MOS 管和輸出二極管的電壓應(yīng)力，但是輸出電容的電壓應(yīng)力較高，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，增益提高有限，且缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文提出一種改進(jìn)二次型高增益Boost-Sepic 集成變換器，該變換器不僅具有輸入電流連續(xù)、功率器件電壓應(yīng)力低、控制電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，還具有電壓增益大、系統(tǒng)穩(wěn)定速度較快等優(yōu)點(diǎn)。

1 一種改進(jìn)二次型高增益Boost-Sepic變換器

1.1 工作原理

提出的改進(jìn)二次型高增益Boost-Sepic變換器如圖1 所示。為簡(jiǎn)化分析，在改進(jìn)二次型高增益Boost-Sepic變換器中，假設(shè)所有元件都是理想的；所有電容器都足夠大，可實(shí)現(xiàn)恒壓。

圖1 改進(jìn)二次型高增益Boost-Sepic變換器Fig.1 Improved quadratic high voltage gain Boost-Sepic converter

變換器工作在CCM 模式下，主要工作波形如圖2 所示，變換器輸入電流連續(xù)，且有三種工作模態(tài)，各工作模態(tài)等效電路如圖3 所示。

圖2 關(guān)鍵參量主要工作波形Fig.2 Main operating waveforms of key parameters

圖3 各工作模態(tài)等效電路Fig.3 Equivalent circuit in each operating mode

模態(tài)Ⅰ[t0，t1]：如圖3（a）所示，功率MOS 管S驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通時(shí)，二極管D1關(guān)斷，D2導(dǎo)通。輸入電壓Vin給電感L1充電，電感L1的電流上升；電容C1給電感L2供電，電感L2的電流上升；電容C3電壓VC3大于電容C2電壓VC2，由電壓差VC3-VC2給電感L3充電，電感L3的電流上升。電感L1、L2和L3兩端電壓分別為

模態(tài)Ⅱ[t1，t2]：如圖3（b）所示，當(dāng)功率MOS 管S關(guān)斷時(shí)，二極管D2、D3關(guān)斷，D1導(dǎo)通。輸入電壓Vin和電感L1串聯(lián)向電容C1充電；輸入電壓Vin、電感L1、電感L2和電容C2串聯(lián)向負(fù)載供電；電感L3給C4充電。電感L1、L2和L3兩端電壓分別為

模態(tài)Ⅲ[t2，t3]：如圖3（c）所示，功率MOS 管S繼續(xù)保持?jǐn)鄳B(tài)，二極管D2關(guān)斷，D1、D3導(dǎo)通，輸入電壓Vin和電感L1串聯(lián)向電容C1充電；輸入電壓Vin、電感L1、電感L2和電容C2串聯(lián)向負(fù)載供電；輸入電壓Vin、電感L1和電感L2通過(guò)二極管D3向輸出電容C3充電；電感L3通過(guò)二極管Do向輸出電容C4供電。電感L1、L2和L3兩端電壓分別為

在以上三種模態(tài)中，輸出電壓表達(dá)式均為

1.2 電壓增益

穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，在一個(gè)周期T中，根據(jù)伏秒平衡原理，電容C1、C2和C3兩端電壓分別為

由式（5）可進(jìn)一步得電壓增益M為

由式（6）可知，改進(jìn)二次型高增益Boost-Sepic變換器的電壓增益為傳統(tǒng)Sepic變換器的（1+D）/[D（1-D）]倍。

1.3 功率器件電壓應(yīng)力

根據(jù)圖3 中變換器中各半導(dǎo)體器件截止時(shí)的等效電路和式（5）、式（6）可知，功率MOS 管S、二極管D1、D2、D3和Do的電壓應(yīng)力為

根據(jù)式（7）可知，半導(dǎo)體功率器件和電容的電壓應(yīng)力均低于輸出電壓Vo。

2 對(duì)比研究

該部分主要將各文獻(xiàn)中所提變換器與本文所提變換器進(jìn)行對(duì)比研究。其中，圖4為各變換器升壓特性曲線(xiàn)對(duì)比，表1為各變換器結(jié)構(gòu)與性能對(duì)比，可知本文所提改進(jìn)二次型Boost-Sepic變換器電壓增益較高，功率MOS 管數(shù)量少且電壓應(yīng)力較低，所以驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，控制容易。圖4的升壓特性曲線(xiàn)進(jìn)一步說(shuō)明，在任一占空比下，與其他變換器相比，改進(jìn)二次型Boost-Sepic變換器電壓增益均高于文獻(xiàn)中所提其他高增益變換器。此外，本文還針對(duì)所提變換器和文獻(xiàn)[16-17]中提出的變換器的系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間進(jìn)行了仿真比較，結(jié)果見(jiàn)表1。仿真結(jié)果表明，在相同的輸入條件下，本文所提變換器系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間要快于文獻(xiàn)[16-17]中提出的變換器。

圖4 各變換器升壓特性曲線(xiàn)對(duì)比Fig.4 Step-up characteristic curves of each converter

表1 變換器結(jié)構(gòu)與性能對(duì)比Tab.1 Comparison of structure and performance among different converters

綜上所述，本文提出的改進(jìn)二次型高增益Boost-Sepic變換器具有共用一個(gè)功率MOS管，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電壓增益高，輸入電流連續(xù)，功率器件和電容的電壓應(yīng)力小等特點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證改進(jìn)二次型Boost-Sepic變換器工作原理的理論分析，研制了一臺(tái)100 W 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，其中輸入電壓為48 V，輸出電壓為400 V，工作頻率為50 kHz，占空比為0.57，電壓增益8.33。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖5 所示，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)主要器件的型號(hào)和參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)主要器件的型號(hào)和參數(shù)Tab.2 Types and parameters of main devices of experimental prototype

圖5 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig.5 Experimental prototype

圖6 實(shí)驗(yàn)波形Fig.6 Experimental waveforms

4 結(jié)論

本文將二次型Boost變換器與改進(jìn)的Sepic變換器進(jìn)行集成，提出一種改進(jìn)二次型Boost-Sepic 升壓變換器，并研究了該變換器在CCM 模式下的工作原理及相關(guān)特性，最后搭建了輸入電壓為48 V，輸出電壓為400 V的100 W 樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

（1）所提改進(jìn)二次型Boost-Sepic變換器具備高增益、輸入電流連續(xù)的特點(diǎn)，其增益為傳統(tǒng)的Sepic變換器的（1+D）/[D（1-D）]倍。占空比為0.57時(shí)，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)增益達(dá)到8.33，與理論推導(dǎo)結(jié)果一致；

（2）所提改進(jìn)二次型Boost-Sepic變換器具備功率MOS 管和各二極管上的電壓應(yīng)力小、效率高等特點(diǎn)，理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明各功率器件上的電壓應(yīng)力均小于輸出電壓且實(shí)驗(yàn)樣機(jī)效率高達(dá)94.1%。