陳章勇，許建平，吳建雪

（1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都 610031;

2.西南交通大學(xué)磁浮技術(shù)與磁浮列車教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031）

基于LC吸收電路的耦合電感高升壓增益變換器

陳章勇，許建平，吳建雪

（1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都 610031;

2.西南交通大學(xué)磁浮技術(shù)與磁浮列車教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031）

提出一種帶無源無損LC吸收電路的耦合電感高增益升壓變換器，采用電容、電感和二極管組成的無源吸收電路網(wǎng)絡(luò)，回收了變換器中漏感能量，同時(shí)抑制了開關(guān)管兩端的電壓尖峰，從而減小了開關(guān)管的電壓應(yīng)力。與傳統(tǒng)有源箝位或無源吸收電路相比，具有LC吸收電路的耦合電感Boost變換器的輸入電流連續(xù)，簡(jiǎn)化了輸入濾波器的設(shè)計(jì)。同時(shí)，該變換器僅有一個(gè)開關(guān)管，且通過調(diào)節(jié)耦合電感變比可實(shí)現(xiàn)高升壓增益特性，在新能源領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。文中詳細(xì)分析了該變換器的工作原理及工作特性，最后通過搭建一臺(tái)100 W、45 V/200 V的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

耦合電感Boost變換器;LC吸收電路;輸入電流紋波;高增益;新能源

0 引言

光伏、燃料電池等新能源系統(tǒng)的輸出直流電壓較低，為了給后級(jí)逆變器供電，需要采用高升壓增益DC－DC變換器［1－3，8－10，15－20］。受電路寄生參數(shù)的限制，傳統(tǒng)Boost變換器的升壓增益特性受限。此外，為了獲得高升壓增益，Boost變換器需要工作于極限占空比，導(dǎo)致開關(guān)管和二極管損耗增大，變換器效率較低。

為了獲得變換器的高升壓增益特性，目前國內(nèi)外研究學(xué)者提出了基于二極管和電容的電壓舉升單元［4］、基于開關(guān)電容（switch capacitor，SC）［5－6］和基于耦合電感或隔離變壓器方案［8－20］的高升壓增益變換器。然而，升壓增益越高，需要采用的級(jí)聯(lián)單元或開關(guān)電容單元越多，增加了變換器的成本和電路復(fù)雜度。通過調(diào)節(jié)耦合電感變換器中耦合電感變比，可以實(shí)現(xiàn)高升壓增益特性，在新能源發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注［8－10，15－20］。但是，由于耦合電感中漏感的存在，導(dǎo)致變換器開關(guān)管兩端較為嚴(yán)重的電壓尖峰，增加了開關(guān)管的損耗，同時(shí)帶來了嚴(yán)重的電磁干擾。

為了解決耦合電感變換器中漏感能量帶來的電壓尖峰問題，最常用的方案是在耦合電感兩端接入RCD吸收電路［7］，在開關(guān)管關(guān)斷后，將漏感能量損耗在電阻上，但降低了變換器效率。在耦合電感Boost變換器基礎(chǔ)上，采用有源箝位電路［8－10］吸收漏感能量，抑制了開關(guān)管兩端的電壓尖峰，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓導(dǎo)通，提高了變換器的效率，但卻增加了一個(gè)輔助開關(guān)管，控制變得復(fù)雜。在引入有源箝位電路后，變換器的輸入電流紋波大，變換器開關(guān)器件的導(dǎo)通損耗增加。文獻(xiàn)［11］提出的Boost-Flyback變換器拓?fù)潆娐吠ㄟ^耦合電感將輸出端電容疊加，獲得了高升壓增益特性，同時(shí)Boost單元在開關(guān)管關(guān)斷后為漏感提供流通路徑，將漏感能量傳遞到輸出端，有效抑制了電壓尖峰，得到廣泛關(guān)注。在Boost-Flyback變換器基礎(chǔ)上，引入電壓舉升單元或開關(guān)電容技術(shù)［13］也可以提升變換器的高升壓增益特性。同時(shí)，將此類變換器拓?fù)鋽U(kuò)展，可以得到Boost集成隔離變換器的高升壓增益變換器拓?fù)洌?4］。此類方案雖然提升了變換器的增益特性，但卻存在輸入電流斷續(xù)的缺點(diǎn)，在新能源低輸入電壓應(yīng)用領(lǐng)域受到一定的局限。另外，文獻(xiàn)［15］提出的帶無源無損吸收電路的高升壓增益變換器拓?fù)洌针娐穬H有一個(gè)二極管和電容組成，電路簡(jiǎn)單，得到研究者的關(guān)注［16－20］。然而，該類變換器同樣存在輸入電流斷續(xù)的缺點(diǎn)。此外，文獻(xiàn)［21－22］提供了一種無源無損LC吸收電路的解決方案，該方案在傳統(tǒng)的正激、反激變換器中已得到研究，且有效吸收了漏感能量，抑制了開關(guān)管的電壓尖峰，有效改善了正激、反激變換器的性能。

基于以上研究，本文將LC吸收電路引入耦合電感高增益變換器，得到帶LC吸收電路的耦合電感高增益變換器。引入無源無損LC吸收電路后，耦合電感Boost變換器中的漏感能量得到有效利用，開關(guān)管兩端的電壓尖峰得到抑制，進(jìn)而可選取低電壓等級(jí)、低導(dǎo)通電阻的開關(guān)管以降低開關(guān)管的導(dǎo)通損耗，提高變換器的效率。同時(shí)，本文提出的變換器具有輸入電流連續(xù)、易實(shí)現(xiàn)高升壓增益等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于光伏、燃料電池等新能源應(yīng)用領(lǐng)域。文中詳細(xì)分析了該變換器的工作原理與工作特性，通過搭建一臺(tái)100 W、45 V/200 V的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

1 工作原理分析

1.1 電路拓?fù)?/h3>

圖1（a）為帶無源無損LC吸收電路的耦合電感高增益升壓變換器電路，其等效電路如圖1（b）所示。其中，耦合電感由漏感Ls、勵(lì)磁電感Lm、匝比為np:ns的理想變壓器構(gòu)成，n=ns/np，Lm?Ls。電容C1、電感L和二極管D11、D12組成吸收電路，在開關(guān)管S1關(guān)斷后，為漏感提供流通路徑，漏感能量得到有效利用。Do為續(xù)流二極管，Co為輸出濾波電容，Ro為負(fù)載電阻。為簡(jiǎn)化分析，假設(shè):

1）除反并聯(lián)二極管與寄生電容外，開關(guān)管S1和二極管是理想器件;

2）電容Co足夠大，可認(rèn)為輸出電壓保持恒定。

1.2 工作模式

如圖2所示為變換器的關(guān)鍵工作波形，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，變換器存在如圖3所示的5種工作模態(tài)。在開關(guān)周期開始之前，電感電流im大于零，續(xù)流二極管Do導(dǎo)通。

模態(tài)1［t0～t1］:t0時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)S1加在開關(guān)管S1兩端，開關(guān)管S1導(dǎo)通，勵(lì)磁電感Lm兩端電壓等于輸入電壓Vin，電感電流iLm線性上升

吸收回路二極管D12導(dǎo)通，電感L與電容C1發(fā)生諧振，諧振電流iD12和電容電壓vC1可表示為

圖1 帶LC吸收電路的耦合電感高增益變換器Fig.1Coupled-inductor-boost high voltage gain converter with a nondissipative LC snubber

圖2 變換器工作于工作模式1的主要工作波形Fig.2Typical waveforms of the proposed converter in operating mode 1

二極管電流iD12諧振到零時(shí)，此模態(tài)結(jié)束，其工作時(shí)間為

模態(tài)2［t1～t2］:經(jīng)過半個(gè)諧振周期，在t1時(shí)刻二極管電流iD12諧振到零，二極管D12關(guān)斷。開關(guān)管S1繼續(xù)導(dǎo)通，勵(lì)磁電感電流iLm繼續(xù)線性上升，負(fù)載能量繼續(xù)由輸出電容Co提供。

模態(tài)3［t2～t3］:t2時(shí)刻，開關(guān)管S1關(guān)斷，開關(guān)管S1的輸出電容迅速放電，開關(guān)管電流iS1迅速下降。漏感Ls與吸收電容C1發(fā)生諧振，漏感電流諧振下降，電容C1上的電壓諧振上升，可表示為

模態(tài)4［t3～t4］:t3時(shí)刻，開關(guān)管S1電流下降到零，勵(lì)磁電感電流通過副邊繞組ns和輸出二極管Do，向負(fù)載傳遞能量，勵(lì)磁電感電流iLm線性下降

同時(shí)，此階段吸收電容C1與漏感Ls發(fā)生諧振，如果電容電壓vC1等于勵(lì)磁電感兩端電壓與輸入電壓之和時(shí)，二極管D12導(dǎo)通，則變換器工作于工作模式1;反之，變換器工作于工作模式2。由此可以得出吸收電容的邊界電壓為

當(dāng)變換器工作于工作模式1時(shí)，二極管D12導(dǎo)通，電感L與電容C1通過副邊繞組ns和輸出二極管Do向負(fù)載傳遞能量，輸出電容Co充電。在此階段，二極管電流iD12和電容電壓vC1可表示為與模態(tài)1一樣，此模態(tài)的工作時(shí)間為

模態(tài)5［t4～t5］:經(jīng)過半個(gè)諧振周期，在t4時(shí)刻二極管電流iD12諧振到零，二極管D12關(guān)斷。漏感電流等于流過輸出二極管的電流iDo，向負(fù)載傳遞能量，直到下一個(gè)開關(guān)周期驅(qū)動(dòng)脈沖的到來。

圖3 工作模態(tài)等效電路Fig.3Equivalent circuit of the proposed converter

2 工作特性分析

2.1 電壓增益?zhèn)鬏敱?/h3>

由變換器的工作模態(tài)分析可知，在一個(gè)穩(wěn)態(tài)周期內(nèi)，由勵(lì)磁電感Lm的伏秒平衡，可得

式中:D為開關(guān)管的導(dǎo)通占空比;Ts為開關(guān)周期。由此可得變換器的增益特性為

圖4所示為變換器電壓傳輸比隨占空比變化的曲線，由圖4可知，通過選取合適的耦合電感變比，帶LC吸收電路的耦合電感Boost變換器可以實(shí)現(xiàn)高升壓增益特性，避免了傳統(tǒng)Boost變換器極限占空比的出現(xiàn)，提高了變換器的性能。

圖4 變換器的增益曲線Fig.4Gain curves of the proposed converter

2.2 開關(guān)管與二極管電壓應(yīng)力分析

在理想情況下，可得開關(guān)管S1電壓應(yīng)力為

考慮LC吸收電路的影響，在t3時(shí)刻，吸收電容C1存在諧振峰值，如圖2所示的變換器的工作波形。選取合適的吸收電容C1和電感L值，使變換器諧振電壓峰值保持在臨界值VC1，boundary（在后面進(jìn)行詳細(xì)分析）。因此，可得到變換器開關(guān)管的實(shí)際應(yīng)力為

由式（16）～（18）可知，與傳統(tǒng)Boost變換器相比，采用耦合電感后，開關(guān)管兩端的電壓應(yīng)力比輸出電壓低，而輸出二極管的電壓應(yīng)力比輸出電壓高，且二極管電壓應(yīng)力與耦合電感變比有關(guān)。因此，在設(shè)計(jì)變換器時(shí)，需在高升壓增益特性與二極管電壓應(yīng)力之間折中考慮。

2.3 輸入電流紋波分析

由以上變換器的工作原理分析可知，本文采用的LC吸收電路在主開關(guān)管S1關(guān)斷階段，漏感電流迅速減小，當(dāng)漏感電流減小到與輸出二極管電流相等時(shí)，漏感能量直接向負(fù)載釋放，由于模態(tài)3［t2～t3］的工作時(shí)間較短，可忽略不計(jì)，所得的輸入電流理想波形如圖5所示，其中ILm為勵(lì)磁電感電流的平均值。然而，文獻(xiàn)［8］提出的有源吸收電路與文獻(xiàn)［11］和文獻(xiàn)［15］提出的無源吸收電路在開關(guān)管關(guān)斷后，漏感能量向吸收電容傳遞，且能量完全釋放，導(dǎo)致輸入電流紋波較大，增加了輸入濾波器的設(shè)計(jì)難度。因此，從能量傳遞的角度，本文提出的LC吸收電路耦合電感高增益變換器具有更優(yōu)越的性能。此外，由圖5可知，采用LC吸收電路后，輸入電流保持連續(xù)性，其輸入電流紋波為

由式（19）可知，增大勵(lì)磁電感Lm和減小耦合電感變比n可進(jìn)一步減小輸入電流紋波。

圖5 變換器的輸入電流波形Fig.5Input current of the proposed converter

2.4 吸收電容C1的選取

吸收電容C1的大小關(guān)系到變換器的工作模式，同時(shí)電容C1與漏感Ls諧振，影響開關(guān)管S1的電壓應(yīng)力。在開關(guān)管關(guān)斷后，電容C1與漏感產(chǎn)生諧振，諧振電壓表達(dá)式如式（7）所示。為了降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力，諧振電壓峰值最好保持在臨界值VC1，boundary及以下，因此希望吸收電路中的電容C1的容值越大越好;此外，由文獻(xiàn)［21－22］分析可知，基于LC吸收電路的變換器工作于工作模式2時(shí)，漏感電流諧振到零，導(dǎo)致輸入電流存在斷續(xù)的情況，另外電容值增大，電容體積增大。因此，為了既保證輸入電流連續(xù)，又減小開關(guān)管的電壓應(yīng)力，選取的優(yōu)化條件是在t3時(shí)刻，漏感電流下降到與輸出二極管Do電流相等，即is（t3）=ILm/n，ILm為勵(lì)磁電感電流的周期平均值。同時(shí)，滿足在開關(guān)管關(guān)斷后，由電感L和電容C1組成的諧振支路不工作，即處于工作模式1與工作模式2的臨界條件，此時(shí)滿足

聯(lián)立式（9）所示的電容電壓臨界值，且將式（20）和式（21）常數(shù)項(xiàng)移至方程式左邊，平方相加可得

由式（22）可知，在得知變換器電路參數(shù)后，可得特征阻抗Z1的數(shù)值，且考慮漏感在勵(lì)磁電感的5%以內(nèi)，即可得吸收電容C1的電容值。

2.5 吸收電路電感L的選取

吸收電容C1選取后，吸收電感L的選取需滿足以下條件:1）為了不增加開關(guān)管的電流應(yīng)力，電感L與電容C1組成的諧振網(wǎng)絡(luò)引起的諧振電流峰值應(yīng)小于開關(guān)管電流峰值，即勵(lì)磁電感電流峰值;2）電感L與電容C1組成的諧振周期應(yīng)遠(yuǎn)小于開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間。因此，可得出吸收電感L應(yīng)滿足的條件為

式中:VC1，boundary如式（9）所示;ILm，max為勵(lì)磁電感電流的最大值，初略計(jì)算時(shí)，可取ILm，max=ILm;Ton，min為開關(guān)管的最小導(dǎo)通時(shí)間。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)基于LC吸收電路的耦合電感高增益升壓變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，變換器主要參數(shù)選取如下:額定輸出功率Po=100 W，輸入電壓Vin=45 V，輸出電壓Vo=200 V，開關(guān)頻率fs=100 kHz，輸出電容Co=220 μF。

由電路關(guān)鍵參數(shù)可知，變換器的電壓增益比為200 V/45 V=4.44，考慮輸出二極管的電壓應(yīng)力和升壓特性，折中選取耦合電感變比n=3.4，根據(jù)式（15）計(jì)算出所需的占空比D=0.44。耦合電感選取TDK公司的ETD34磁芯，原副邊匝比為15T: 51T，原邊勵(lì)磁電感Lm=40 μH，漏感Ls=1 μH。由電路參數(shù)可以計(jì)算出勵(lì)磁電感電流的平均值，ILm= Po/Vin=2.2 A，因此，由式（22）計(jì)算出吸收電容C1的電容值為22 nF。此時(shí)，本文中選取滿足式（23）的電感值為22 μH，磁芯77930A7，匝數(shù)15T。吸收二極管D11、D12選取型號(hào)HER207。由此可以計(jì)算出開關(guān)管S1和輸出二極管Do的電壓應(yīng)力分別為80 V和354 V，考慮一定電壓裕量，選取開關(guān)管S1型號(hào)P30NM30N（VDSS=300 V，RDS（on）=0.078 Ω），選取輸出二極管Do為型號(hào)為MUR860CI。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖6～圖9所示為滿載工作時(shí)，基于LC吸收電路的耦合電感高增益升壓變換器的實(shí)驗(yàn)波形。圖6為開關(guān)管S1兩端電壓和流過開關(guān)管的電流波形，從圖6可以看出，開關(guān)管兩端的電壓尖峰得到抑制，測(cè)量得到開關(guān)管的理想電壓應(yīng)力80 V、考慮LC吸收電路的電壓應(yīng)力為125 V，與式（16）、式（17）理論分析基本一致，從而證實(shí)了吸收電容C1和電感L參數(shù)值選取的正確性。圖7為吸收電容電壓vC1、二極管電流iD12和變換器輸入電流iin的實(shí)驗(yàn)波形。由圖7紅色虛線框可知，由實(shí)驗(yàn)波形直接驗(yàn)證了吸收電容C1的選取與理論分析一致，在二極管電流iD12關(guān)斷時(shí)刻，電容電壓vC1被箝位。從圖7中輸入電流實(shí)驗(yàn)波形可以看出，輸入電流iin保持連續(xù)性，與理論分析波形一致。輸入電流連續(xù)的主要原因在于開關(guān)管S1關(guān)斷后，變壓器漏感Ls、輸出二極管Do形成電流流通路徑，漏感能量直接向負(fù)載傳遞。圖8為輸出二極管Do的電壓電流實(shí)驗(yàn)波形，由圖8可知，二極管Do的電壓應(yīng)力與理論分析一致，但存在尖峰震蕩，主要原因是在二極管關(guān)斷后，耦合電感副邊漏感與二極管Do寄生電容產(chǎn)生諧振，造成二極管兩端的電壓尖峰震蕩。輸入電流與輸出電壓Vo的實(shí)驗(yàn)波形如圖9所示，輸出電壓與理論計(jì)算值保持一致。

圖6 開關(guān)管S1的漏源電壓、電流波形Fig.6Voltage and current switch S1

圖7 吸收電路的電流和電壓實(shí)驗(yàn)波形Fig.7Voltage and current of passive lossless snubber

圖8 續(xù)流二極管Do電壓電流波形Fig.8Voltage and current waveform for diode Do

圖9 輸入電流iin與輸出電壓Vo波形Fig.9Input current iinand output voltage Vo

如圖10所示為本文提出的基于LC吸收電路的高增益升壓變換器的效率測(cè)試曲線，由圖10可知，變換器的最高效率可達(dá)到95.5%，在滿載Po= 100 W時(shí)，變換器的效率為95%。變換器效率較高的主要原因在于采用LC吸收電路后，開關(guān)管S1兩端的電壓尖峰得到抑制，繼而可采取低電壓等級(jí)的MOSFET以減小導(dǎo)通損耗，提高變換器的效率;同時(shí)漏感能量得到有效利用，進(jìn)一步改善了變換器的效率。此外，本文提出的變換器拓?fù)漭斎腚娏鬟B續(xù)，減小輸入濾波器的設(shè)計(jì)難度，降低了變換器的體積和成本。

圖10 效率曲線Fig.10Efficiency of experimental results

4 結(jié)論

本文提出了一種基于LC吸收電路的高升壓增益變換器拓?fù)?，詳?xì)分析了變換器工作原理與工作特性。同時(shí)，闡述了輸入電流紋波特性，且對(duì)吸收電路中電容與電感的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，給出電路參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)選取原則。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的高升壓增益變換器在傳統(tǒng)耦合電感Boost變換器拓?fù)涞幕A(chǔ)上，采用LC吸收電路，有效抑制了開關(guān)管的電壓尖峰，減小了開關(guān)管的電壓應(yīng)力;同時(shí)，漏感能量直接向負(fù)載傳遞，保持了輸入電流的連續(xù)性，減小了輸入濾波器的設(shè)計(jì)?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，該變換器非常適合于光伏、燃料電池等需要高增益DC-DC變換器的新能源場(chǎng)合。

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Coupled-inductor-boost high voltage gain converter with a nondissipative LC snubber

CHEN Zhang-yong， XU Jian-ping，WU Jian-xue
（1.School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China; 2.Ministry of Education Key Laboratory of Magnetic Suspension Technology and Maglev Vehicle，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

A Coupled-Inductor-Boost high voltage gain converter with a nondissipative LC snubber was presented.By utilizing a snubber circuit composed of capacitor，inductor and diode，leakage inductance energy was recycled and voltage spike stress of the power switch was suppressed.Compared with active clamp circuit or lossless snubber circuit，the proposed converter maintains the characteristics of continuous input current and therefore makes it easy to design electromagnetic interference（EMI）filter.Meanwhile，the converter with single power switch and high voltage gain，has appropriate candidate for photovoltaic，fuel cells and other renewable energy system application.Steady state analysis of the converter and operating characteristics was developed.Finally，experimental results from a 100W 45V/200V prototype were presented to verify the analysis of the proposed converter.

coupled-inductor Boost converter;LC snubber circuit;input current ripple;high voltage gain;renewable resources

10.15938/j.emc.2015.03.011

TP 242，TP 273

A

1007－449X（2015）03－0069－07

2014－02－23

國家自然科學(xué)基金（51177140）;中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（2682013ZT20）;2014年西南交通大學(xué)博士新基金

陳章勇（1988—），男，博士研究生，研究方向?yàn)楦哳l隔離軟開關(guān)變換器，功率因數(shù)校正技術(shù);

許建平（1963—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng);

吳建雪（1988—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。

陳章勇