一種新型超高升壓DC-DC變換器的設(shè)計(jì)

摘 要：為使光伏系統(tǒng)可穩(wěn)定輸出高直流電壓，提出一種新型超高升壓DC-DC變換器的設(shè)計(jì)。變換器采用耦合電路升壓結(jié)構(gòu)增加了新的增益調(diào)節(jié)單元。新型開關(guān)單元降低了開關(guān)器件的電壓應(yīng)力和電壓尖峰。耦合電感與開關(guān)電容結(jié)合，降低了器件的電壓、電流尖峰，吸收了耦合電感的漏感能量。對(duì)變換器進(jìn)行閉環(huán)控制，穩(wěn)定變換器的輸出。分析電路的工作模態(tài)，與近幾年典型高升壓變換器做性能對(duì)比，測(cè)試變換器的抗擾動(dòng)性能。根據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證變換器在閉環(huán)控制下的穩(wěn)定性和魯棒性。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；DC-DC變換器；耦合電路；增益調(diào)節(jié)；閉環(huán)控制；魯棒性

中圖分類號(hào)：TM46 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

光伏發(fā)電技術(shù)作為新能源技術(shù)領(lǐng)域的先驅(qū)，在進(jìn)行電能輸送的過程中需要高增益DC-DC變換器對(duì)其輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換。為設(shè)計(jì)出增益更高，轉(zhuǎn)換更穩(wěn)定的DC-DC變換器，業(yè)界人士提出多種升壓結(jié)構(gòu)［1-3］。1）級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)［4］：將升壓單元進(jìn)行多級(jí)嵌套，提升了變換器增益，卻降低了變換器的轉(zhuǎn)換效率。2）開關(guān)電容［5-8］結(jié)構(gòu)：電容的開關(guān)工作使變換器的增益成倍增加，卻給開關(guān)器件帶來非常大的電流尖峰。3）耦合電感［9-13］結(jié)構(gòu)：增加了新的增益調(diào)節(jié)單元，器件數(shù)少，但會(huì)給半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)帶來較大的電壓尖峰。

為使光伏系統(tǒng)可穩(wěn)定輸出高直流電壓，總結(jié)以上升壓結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種新型超高升壓DC-DC變換器的設(shè)計(jì)。變換器繼承了耦合電感結(jié)構(gòu)和開關(guān)電容結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，并克服了相應(yīng)的缺點(diǎn)。應(yīng)用新型開關(guān)結(jié)構(gòu)提升了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。對(duì)變換器做閉環(huán)控制，穩(wěn)定變換器的輸出電壓。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 變換器結(jié)構(gòu)

圖1是光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。小型光伏陣列的輸出電壓較低，無法滿足高壓直流母線所需求的電壓。大型光伏陣列的設(shè)計(jì)會(huì)造成光伏陣列體積過大、維護(hù)困難、故障率較高的問題，且光伏陣列輸出電壓會(huì)隨著太陽輻照度的變化而變化，無法穩(wěn)定在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電壓附近。因此可通過對(duì)小型光伏陣列做DC-DC高升壓閉環(huán)轉(zhuǎn)換，提升、穩(wěn)定光伏系統(tǒng)的輸出電壓。

如圖2a所示，傳統(tǒng)Boost變換器結(jié)合梯式開關(guān)電容和斐波那契型開關(guān)電容得到一種新的升壓變換器。為了再次提升拓?fù)涞纳龎耗芰Γ⒁种崎_關(guān)電容工作產(chǎn)生的電流尖峰，新型變換器引入耦合電感技術(shù)；為降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力，將新型變換器的單開關(guān)結(jié)構(gòu)改為雙開關(guān)結(jié)構(gòu)。通過上述結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，最終得到如圖2b所示的一種新型超高升壓DC-DC變換器。

如圖2b所示，新型超高升壓DC-DC變換器由開關(guān)管S1、S2；二極管VD1～VD5和輸出二極管VDo；電容[C1～C4]和輸出穩(wěn)壓電容[Co]；耦合電感[L1～L3]以及輸入電源[Vg]和負(fù)載[R]共同構(gòu)成。耦合電感匝比[L1∶L2∶L3=1∶n1∶n2]。耦合電感單元和開關(guān)電容單元的嵌套結(jié)構(gòu)，使變換器的增益顯著提升。

1.2 變換器工作原理

分析變換器工作過程前假設(shè)：1）除漏感之外，不計(jì)其余器件寄生參數(shù)的影響。2）電容容量充足，工作時(shí)兩端電壓恒定。3）勵(lì)磁電流[iLm]連續(xù)。

圖3是變換器半導(dǎo)體器件工作的波形圖。一個(gè)周期內(nèi)，變換器主要工作在4種模式下。S1、S2控制同步，[vS1，2]是開關(guān)管漏、源極之間的壓降。[iLm]是勵(lì)磁電感[Lm]的電流，[iLk]是耦合繞組副邊折算到源邊漏感之和[Lk]的電流。[iVD1]～[iVD5]和[iVDo]分別是VD1～VD5和VDo的導(dǎo)通電流。

模式1（圖4a）：[t0—t1]階段，S1、S2、VD4和VDo工作，VD1、VD2、VD3和VD5截止。[iLm]、[iLk]線性上升。[Vg]經(jīng)[L1]、S2和S1為[C1]正向充電。[C2]經(jīng)VD4為[C3]正向充電。[L2]、[L3]和[C4]經(jīng)VDo向負(fù)載側(cè)供電。

模式2（圖4b）：[t1—t2]階段，VD3、VD5工作，VD4、VDo截止。[Vg]經(jīng)VD3和[L2]為[C2]正向充電。[C3]經(jīng)VD5為[C4]正向充電。[Co]為[R]供電。

模式3（圖4c）：[t2—t3]階段，VD1、VD2工作，S1、S2截止。[iLk]線性下降，[iLm]繼續(xù)線性上升。[Vg]經(jīng)[L1]、VD1和VD2為[C1]反向充電。

模式4（圖4d）：[t3—t4]（[t0]）階段，VD4和VDo工作，VD3、VD5截止。[iLm]、[iLk]線性下降。[C2]經(jīng)VD4為電容[C3]正向充電。[L2]、[L3]和[C4]通過VDo向負(fù)載側(cè)放電。變換器進(jìn)入下一周期繼續(xù)工作。

2 直流穩(wěn)態(tài)分析

2.1 變換器增益

忽略短暫的工作模式1、3。只考慮模式2（狀態(tài)1）和模式4（狀態(tài)2）兩種模式。

當(dāng)變換器電感匝比L1∶L2∶L3=1∶1∶1，S導(dǎo)通占空比[D=0.25]時(shí)，變換器增益[B]為20。當(dāng)變換器電感匝比L1∶L2∶L3=1∶2∶2時(shí)，變換器增益[B]可達(dá)31。驗(yàn)證了變換器的超高升壓性能。

2.2 器件電壓、電流應(yīng)力

忽略器件工作時(shí)的電壓、電流紋波，根據(jù)變換器KVL和基爾霍夫電流定律（Kirchhoff’s current law，KCL），計(jì)算器件的電壓、電流應(yīng)力。應(yīng)力表達(dá)式如表1所示。

2.3 變換器效率計(jì)算

效率是變換器重要的性能指標(biāo)。為方便計(jì)算變換器工作時(shí)各元器件之間的損耗，變換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式。

2.4 變換器的性能對(duì)比

為彰顯新型超高升壓DC-DC變換器的性能優(yōu)勢(shì)，與5種近幾年典型的的高升壓DC-DC變換器做比較。表2羅列了6種變換器7種性能參數(shù)。

為使所有變換器正常工作，并達(dá)到最大的升壓倍數(shù)，取所有變換器耦合電感副邊線圈的匝比[n=2]，則所提變換器的增益表達(dá)式可重新表示為：

圖5a是6種變換器的升壓能力對(duì)比曲線。根據(jù)曲線可得：6種變換器的升壓增益均較高，但所提新型超高升壓DC-DC變換器的升壓增益在所有變換器中最高。根據(jù)表2可得，所提變換器在幾種先進(jìn)的DC-DC變換器之間所使用的元器件數(shù)最少，雖然文獻(xiàn)［16］的變換器與所提變換器存在相同的器件數(shù)目，但升壓增益的大小卻無法與所提變換器進(jìn)行比較。

圖5b是6種變換器的開關(guān)管關(guān)斷時(shí)電壓應(yīng)力的對(duì)比曲線。通過曲線可得，當(dāng)6種變換器選取相同的輸出電壓時(shí)，所提變換器的開關(guān)管的電壓應(yīng)力要比文獻(xiàn)［14-18］小很多。較低的開關(guān)管電壓應(yīng)力會(huì)減少開關(guān)管的損耗，有助于增強(qiáng)變換器的穩(wěn)定性。

3 變換器閉環(huán)控制分析

狀態(tài)空間平均法是根據(jù)線性RLC器件組成的拓?fù)?，將電感電流、電容電壓作為系統(tǒng)的狀態(tài)變量，做時(shí)間平均計(jì)算，得到拓?fù)淦骄鶢顟B(tài)的一種方法。所提變換器耦合電感副邊線圈的電流方向在兩個(gè)狀態(tài)內(nèi)發(fā)生改變，需通過耦合電感源邊線圈電流線性表達(dá)。[L1]的電流在整個(gè)周期內(nèi)方向不變。根據(jù)表1計(jì)算，[L1]周期平均電流[iL1]的表達(dá)式為：

3.3 系統(tǒng)仿真

應(yīng)用Simulink工具箱對(duì)變換器進(jìn)行閉環(huán)仿真，通過系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)來檢測(cè)變換器的魯棒性。變換器恒380 V輸出。閉環(huán)響應(yīng)曲線見圖7，閉環(huán)響應(yīng)數(shù)據(jù)見表3。擾動(dòng)分為輸入階躍擾動(dòng)、負(fù)載階躍擾動(dòng)，且輸入擾動(dòng)是[（-2 V，2 V]）之間的隨機(jī)擾動(dòng)。仿真時(shí)長0.6 s，輸入擾動(dòng)每0.1 s出現(xiàn)一次，負(fù)載擾動(dòng)每0.15 s出現(xiàn)一次，所以0.3 s輸入擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)同時(shí)出現(xiàn)。

根據(jù)圖7和表3可知，在0.2 s出現(xiàn)的輸入擾動(dòng)最大，引起的脈沖最大，但僅為6 V，且在8.35 ms后系統(tǒng)輸出恢復(fù)。負(fù)載擾動(dòng)的影響較小，即使在0.3 s輸入和負(fù)載擾動(dòng)并存的時(shí)刻對(duì)系統(tǒng)影響也甚微，0.45 s的負(fù)載擾動(dòng)幾乎可忽略不計(jì)。開關(guān)DC-DC的輸出存在紋波，擾動(dòng)出現(xiàn)會(huì)改變紋波的大小，但最大紋波僅約為±0.5 V，對(duì)輸出影響甚微。

4 實(shí)驗(yàn)分析

市場(chǎng)上很多小型光伏陣列的平均輸出功率約180 W，平均輸出電壓約25 V，其電氣特性根據(jù)光照條件的變化而浮動(dòng)，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中所提變換器可提出以下4種方案：

1）耦合電感匝比L1∶L2∶L3=1∶0.25∶0.25，樣機(jī)功率300 W，開環(huán)占空比[D]為0.25時(shí)，變換器升壓倍數(shù)為11.75。

2）耦合電感匝比L1∶L2∶L3=1∶0.5∶0.5，樣機(jī)功率200 W，開環(huán)占空比[D]為0.25時(shí)，變換器升壓倍數(shù)為14.5。

3）耦合電感匝比L1∶L2∶L3=1∶1∶1，樣機(jī)功率100 W，開環(huán)占空比[D]為0.25時(shí)，變換器升壓倍數(shù)為20。

4）耦合電感匝比L1∶L2∶L3=1∶2∶2，樣機(jī)功率50 W，開環(huán)占空比[D]為0.25時(shí)，變換器升壓倍數(shù)為31。

為突出所提變換器的超高升壓特性，并考慮24 h內(nèi)光伏陣列輸出功率的大小，本次折中選取方案3）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)室制作樣機(jī)，樣機(jī)參數(shù)見表4，樣機(jī)搭建如圖8。

變換器恒380 V輸出。通過改變輸入電壓和負(fù)載電阻的大小模擬外界的變化。

圖9a～圖9f是樣機(jī)恒壓19 V輸入時(shí)半導(dǎo)體器件工作的電壓、電流波形。波形數(shù)據(jù)見表5。

由圖9a～圖9f和表5可知，由于開關(guān)管米勒效應(yīng)和二極管反向恢復(fù)時(shí)間的存在，半導(dǎo)體在關(guān)斷的時(shí)刻總會(huì)產(chǎn)生一定的電壓、電流尖峰，感性并聯(lián)回路和容性串聯(lián)回路也會(huì)增大半導(dǎo)體的電壓、電流尖峰。VD3的電壓尖峰值最大，而S1，2的尖峰比最大，VD4的電流尖峰值和尖峰比都是最大的，但所有尖峰的影響均較小。圖9g是變換器輸入電壓、輸入電流和輸出電壓的波形圖，文獻(xiàn)［14-18］與所提變換器的輸入電流均不連續(xù)，設(shè)計(jì)LC濾波結(jié)構(gòu)可使輸入電流趨于平穩(wěn)。由實(shí)驗(yàn)波形可知，變換器元器件工作穩(wěn)定，變換器升壓工作穩(wěn)定進(jìn)行。

圖9h和圖9i是變換器做光伏陣列光照和負(fù)載變化的閉環(huán)響應(yīng)曲線。輸入電壓階躍跳動(dòng)會(huì)影響輸出電壓的波形，但在較短的時(shí)間內(nèi)輸出趨于穩(wěn)定。負(fù)載的階躍改變，影響輸出電流Io的大小，但對(duì)輸出電壓的波形幾乎無任何影響。變換器閉環(huán)對(duì)階躍擾動(dòng)的調(diào)試效果良好，則變換器對(duì)于現(xiàn)實(shí)中光照和負(fù)載的連續(xù)性變化也會(huì)擁有較好的閉環(huán)響應(yīng)特性。

圖10是變換器恒壓19 V輸入、恒壓380 V輸出，變輸出功率的實(shí)驗(yàn)效率曲線。由數(shù)據(jù)可得，變換器輸出功率約為90 W時(shí)，輸出效率最高，效率是96.3%，輸出功率為100 W時(shí)，變換器的效率為94.7%。

5 結(jié) 論

提出一種新型超高升壓DC-DC變換器的設(shè)計(jì)。變化器的設(shè)計(jì)總結(jié)有：

1）設(shè)計(jì)的耦合電感單元，使變換器增加了新的增益調(diào)節(jié)因子。

2）變換器器件較少，結(jié)構(gòu)合理。

3）鉗位結(jié)構(gòu)削減了半導(dǎo)體器件的電壓尖峰和電流尖峰。

4）變換器閉環(huán)后的抗擾性能良好。

5）根據(jù)不同規(guī)格光伏陣列的輸出電壓和輸出功率可制定不同的升壓方案，最后實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。

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DESIGN OF NOVEL ULTRA-HIGH BOOST DC-DC CONVERTER

Song Liye1，Tian Guosheng1，Yuan Chenggong2，Hou Lihui1，Li Pengquan1

（1. School of Electrical and Control Engineering， Liaoning Technical University， Huludao 125105， China；

2. School of Information and Control Engineering， Qingdao University of Technology， Qingdao 266520， China）

Abstract：In order to make the photovoltaic system can output high DC voltage stably， a novel design of ultra-high Boost DC-DC converter is proposed. The converter adopts coupled circuit Boost structure and adds a new gain regulation unit. The new switching unit reduces the voltage stress and voltage spike of the switching device. The coupling inductor and switching capacitor can reduce the voltage and current peak of the device， and absorb the leakage energy of the coupling inductor. The output of the converter is stabilized by closed-loop control. The working mode of the circuit is analyzed， and the performance of the converter is compared with that of the typical high-Boost converter in recent years to test the anti-disturbance performance of the converter. According to simulation and experiment， the stability and robustness of the converter under closed-loop control are verified.

Keywords：photovoltaic power generation； DC-DC converters； coupling circuits； gain regulation； closed-loop control； robustness

收稿日期：2022-05-12

基金項(xiàng)目：2019年遼寧省自然科學(xué)基金指導(dǎo)項(xiàng)目（2019-ZD-0039）；2020年遼寧省教育廳科學(xué)研究基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（LJ2020JCL003）

通信作者：田國勝（1975—），男，博士研究生、副教授，主要從事智能電網(wǎng)新技術(shù)方面的研究。tianguosheng@lntu.edu.cn