趙忠彪

(許昌學(xué)院 電氣(機(jī)電)工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

工業(yè)革命以來，大量化石能源燃燒產(chǎn)生的廢氣排放到空氣，給大氣帶來嚴(yán)重污染[1-3]，因此以光伏、燃料電池為代表的清潔能源備受關(guān)注[4-6].由于光伏、燃料電池等清潔能源輸出的直流電壓均較低，既不能滿足日常家電設(shè)備的工作要求，也不能滿足逆變器前端輸入母線對電壓等級的要求，故需要高增益直流升壓變換器對其升壓[7].

傳統(tǒng)Boost變換器電路結(jié)構(gòu)簡單且控制方便，但其輸出電壓越高控制信號的占空比就越大，此不利于優(yōu)化設(shè)計(jì)[8].研究人員設(shè)計(jì)了多種新型高增益直流升壓變換器[9-13].文獻(xiàn)[9]把單輸入改為多輸入，使升壓變換器的電壓增益翻倍，但存在雙輸入電源相互協(xié)調(diào)的問題.文獻(xiàn)[10]通過級聯(lián)方法使變換器的電壓增益增大為級聯(lián)前的n次方(n為級聯(lián)的級數(shù))，但存在后級電壓應(yīng)力過高的缺點(diǎn).文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了帶開關(guān)電感和電容的直流升壓變換器，利用電容和電感的儲能作用，實(shí)現(xiàn)了電壓增益的增長.受開關(guān)電感和電容儲能的啟示，針對新能源領(lǐng)域?qū)﹄妷涸鲆娓摺⒛芰繐p耗低的直流升壓變換器的需求，筆者提出一種新型高增益DC-DC同步控制變換器.

1 工作原理

筆者所提新型高增益DC-DC同步控制變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示.圖1中，開關(guān)管S1，S2的參數(shù)及型號一致，二者均處于同步控制狀態(tài)；電感L1，L2的參數(shù)和型號一致，其電感值為L.為簡化分析，假設(shè)如下：①元器件均處于理想狀態(tài)；②忽略電容電壓的波動；③開關(guān)管、二極管的導(dǎo)通與斷開均瞬時(shí)完成.

圖1 新型高增益DC-DC同步控制變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2為在電流連續(xù)模式(continuous conduction model, 簡稱CCM)及電流斷續(xù)模式 (discontinuous conduction mode, 簡稱DCM)下新型高增益DC-DC同步控制變換器部分元器件的電壓及電流波形圖.圖2中，Vgs為開關(guān)管同步控制的驅(qū)動信號，IL1為電感L1的電流，VL1為電感L1的電壓，VC2為電容C2的電壓.

圖2 2種模式下變換器部分元器件的電壓及電流波形

由圖2可知，新型高增益DC-DC同步控制變換器共有3種工作模態(tài).由圖2(a)可知，當(dāng)變換器工作在CCM模式下，電感電流在工作模態(tài)1，2間依次切換.由圖2(b)可知，當(dāng)變換器工作在DCM模式下，電感電流在工作模態(tài)1，2，3間依次切換.

1.1 工作模態(tài)1

圖3為工作模態(tài)1下變換器的等效電路圖.模態(tài)1下，開關(guān)管S1，S2導(dǎo)通，電流IL1，IL2線性增加.此時(shí)，變換器中有5個(gè)電流回路：回路1中，電源電壓VDC通過開關(guān)管S1給電感L1充電；回路2中，電源電壓VDC通過開關(guān)管S2給電感L2充電；回路3中，電源電壓VDC通過開關(guān)管S1，S2及二極管D1給電容C1充電；回路4中，電容C2通過二極管D1，D3給電容C3充電；回路5中，電容C4給負(fù)載R供電.

圖3 工作模態(tài)1下變換器的等效電路圖

由回路1可得

(1)

由回路2可得

(2)

由回路3可得

VC1=VDC.

(3)

由回路4可得

VC2=VC3.

(4)

由回路5可得

VC4=VO.

(5)

1.2 工作模態(tài)2

圖4為工作模態(tài)2下變換器的等效電路圖.模態(tài)2下，開關(guān)管S1，S2斷開，電流IL1，IL2線性遞減.此時(shí)，變換器中有3個(gè)電流回路：回路1中，VDC，VL1，VL2，VC1串聯(lián)后，經(jīng)二極管D2給電容C2充電；回路2中，VC2，VC3經(jīng)二極管D2，D4給電容C4和負(fù)載R供電.

圖4 工作模態(tài)2下變換器的等效電路圖

由回路1可得

(6)

由回路2可得

VC2+VC3=VC4.

(7)

1.3 工作模態(tài)3

圖5為工作模態(tài)3下變換器的等效電路圖.模態(tài)3下，開關(guān)管S1，S2斷開，電流IL1，IL2為零.此時(shí)，變換器中只有1個(gè)回路.

圖5 工作模態(tài)3下變換器的等效電路圖

2 性能分析

2.1 電壓增益

2.1.1 電流連續(xù)模式下的電壓增益

結(jié)合工作模態(tài)1下的回路1及工作模態(tài)2下的回路1，對電感L1，L2運(yùn)用伏秒平衡原理，可得

(8)

其中：D為開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間與時(shí)鐘周期TS的比值，D1為開關(guān)管斷開時(shí)電流持續(xù)時(shí)間與時(shí)鐘周期TS的比值.

由工作模態(tài)2中的回路2，可得

(9)

由式(3)，(8)～(9)，可得電流連續(xù)模式下電壓增益為

(10)

CCM模式下，D+D1=1，則有

(11)

2.1.2 電流斷續(xù)模式下的電壓增益

對電容C2運(yùn)用安秒平衡原理，可得

(12)

由式(12)得到電流斷續(xù)模式下的電壓增益為

(13)

2.2 電壓應(yīng)力

2.2.1 開關(guān)管電壓應(yīng)力

由工作模態(tài)2中的回路1，可得

(14)

其中：VVS_S開關(guān)管電壓應(yīng)力.

將式(9)代入式(14)，可得

(15)

2.2.2 二極管電壓應(yīng)力

聯(lián)合工作模態(tài)1及工作模態(tài)2中的回路，可得

(16)

其中：VVS_D1為二極管D1的電壓應(yīng)力，VVS_D2為二極管D2的電壓應(yīng)力，VVS_D3二極管D3的電壓應(yīng)力，VVS_D4為二極管D4的電壓應(yīng)力.

3 性能比較

表1所示為該文所提新型高增益DC-DC同步控制變換器與常見同類直流升壓變換器的部分關(guān)鍵性能參數(shù)的對比.由表1可知，該文變換器的電壓增益最高，其開關(guān)管、二極管的電壓應(yīng)力最低，可見其能量轉(zhuǎn)換效率最高.

表1 性能參數(shù)比較

圖6為該文變換器與傳統(tǒng)Boost變換器及文獻(xiàn)[12-13]變換器的電壓增益對比.從圖6可看出，在D相同情況下，該文變換器的電壓增益最高.

圖6 電壓增益對比

4 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證筆者所提新型高增益DC-DC同步控制變換器理論分析的正確性，制作了額定功率為200 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，如圖7所示.實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：電感L1，L2的電感值均為150 μH，開關(guān)管S1，S2的型號均為IRFP260N，二極管D1，D2，D3，D4的型號均為BYV34-500，電容C1，C2，C3，C4均為47 μF，輸入電壓VDC為20 V，開關(guān)管S1，S2控制信號的頻率均為50 kHz，D為0.5.

圖7 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

圖8為樣機(jī)中開關(guān)管的驅(qū)動信號及電壓應(yīng)力的波形.由圖8可知:驅(qū)動信號Vgs為高電位時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，其兩端電壓應(yīng)力VVS_S為零；驅(qū)動信號Vgs為低電位時(shí)，開關(guān)管斷開，其兩端電壓應(yīng)力VVS_S為40 V.此結(jié)論與理論分析一致.

圖8 樣機(jī)中開關(guān)管的驅(qū)動信號及電壓應(yīng)力波形

圖9為樣機(jī)的輸入、輸出電壓波形.由圖9可知，當(dāng)輸入電壓VDC為20 V時(shí)，輸出電壓VO為160 V.此結(jié)論與理論分析一致.

圖9 樣機(jī)的輸入、輸出電壓波形

圖10為樣機(jī)的二極管D2，D3的電壓應(yīng)力波形.由圖10可知:當(dāng)二極管D2導(dǎo)通時(shí)，二極管D3截止；當(dāng)二極管D3導(dǎo)通時(shí)，二極管D2截止；二極管D2及D3的電壓應(yīng)力值均為80 V.此結(jié)論與理論分析一致.

圖11為樣機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率隨輸出電壓變化的曲線.由圖11可知，該文變換器的能量轉(zhuǎn)換效率隨輸出電壓增大而增大.

圖11 樣機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率隨輸出電壓變化的曲線

5 結(jié)束語

針對新能源領(lǐng)域?qū)υ鲆娓?、損耗低的直流升壓變換器的需求，在倍壓電路的基礎(chǔ)上，筆者提出了一種新型高增益DC-DC同步控制變換器.該文變換器中兩開關(guān)管的電流相等，因此系統(tǒng)穩(wěn)定性更強(qiáng).電容C1所承擔(dān)的電壓應(yīng)力遠(yuǎn)比文獻(xiàn)[12]中的電容C1所承擔(dān)的電壓應(yīng)力小，因此硬件成本更低.將該文變換器與傳統(tǒng)Boost變換器、文獻(xiàn)[12-13]中的變換器進(jìn)行對比研究，結(jié)果表明該文變換器具有電壓增益高、開關(guān)管和二極管電壓應(yīng)力低的優(yōu)點(diǎn).