基于開關電容網絡組的雙輸入升壓變換器

陳劍飛 侯世英 孫 韜 畢曉輝

(輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室(重慶大學) 重慶 400044)

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基于開關電容網絡組的雙輸入升壓變換器

陳劍飛 侯世英 孫 韜 畢曉輝

(輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室(重慶大學) 重慶 400044)

在新能源聯合發電系統中，現有的多輸入直流變換器不能很好地滿足其對供電方式、高增益、小紋波、低器件應力及高效率等工作性能的要求?；诖耍o出了基于開關電容網絡組的兩種新型雙輸入升壓變換器拓撲，即并聯型雙輸入升壓變換器和串聯型雙輸入升壓變換器，對其工作原理及工作性能進行了詳細分析，并通過實驗研究驗證了這兩種電路拓撲的正確性與可行性。

開關電容 雙輸入 升壓 并聯型 串聯型

0 引言

在傳統的新能源聯合發電系統中，每種新能源的接入均需要對應一個DC-DC變換器，將各能源變換成直流電壓輸出，并聯在公共的直流母線上。這種連接方式會造成系統結構復雜及電路元器件多的問題。為了簡化電路結構以及降低系統成本，采用一個多輸入直流變換器(Multi-input Converter，MIC)代替多個單輸入直流變換器，成為當前新能源聯合發電系統的發展趨勢。MIC允許多種能源輸入，輸入源的性質、幅值和特性可以相同，也可以差別很大，多個輸入源可分時或同時向負載供電(即分時供電或同時供電)，實現能源的優先利用，從而達到提高系統集成度和靈活性的目的[1-3]。另外，由于太陽能、燃料電池等新能源的輸出電壓較低，為了實現380 V或760 V的直流母線電壓輸出，必須使得MIC兼具較大的升壓能力。

文獻[4-8]在6種基本的PWM變換器基礎上，通過添加電壓緩沖單元或電流緩沖單元構成相應的MIC，該方法易于理解，為構建MIC提供了系統性的理論指導。文獻[9，10]針對傳統的Buck和Boost變換器，提出了雙輸入Buck變換器和雙輸入Boost變換器，既能實現多個輸入源分時供電，又能實現同時供電，但雙輸入Buck變換器的控制電路復雜且不具有升壓能力，而雙輸入Boost變換器由于其升壓能力有限而不能發揮更好的升壓功能。文獻[11-14]提出多輸入全橋變換器，既能實現大功率輸出，還能實現輸入源與負載之間的電氣隔離，但開關器件太多，開關損耗大，效率低，雖然采用軟開關技術減小了一部分損耗，但由此導致電路結構復雜，控制困難。文獻[15-17]通過輸出并聯或拓撲組合的方式實現多路新能源輸入，但開關管電壓應力較大，控制電路復雜。

綜上所述，采用MIC代替多個單輸入直流變換器，可簡化電路結構，提高系統集成度。無論是對非隔離型MIC還是隔離型MIC的研究，可歸納其發展歷程如圖1所示：①從早期的輸出單元并聯型MIC發展到輸出單元串聯型MIC，旨在提高MIC的升壓能力；②采用一個串并聯輸出單元代替多個串聯輸出單元的MIC，旨在簡化輸出端電路結構，降低系統成本；③將輸入單元和輸出單元合二為一，構成輸入、輸出單元公共串并聯的MIC，可極大提高系統集成度，勢必成為MIC未來的發展方向。

圖1 MIC發展歷程Fig.1 Development history of MIC

針對新能源聯合發電系統對MIC的供電方式、升壓能力、控制復雜度及器件應力等技術參數的要求，本文提出了兩種輸入輸出單元公共串并聯的開關電容網絡組，并基于此給出了并聯型雙輸入升壓變換器和串聯型雙輸入升壓變換器。

1 開關電容網絡組

圖2給出了兩種開關電容網絡組：并聯型開關電容網絡組和串聯型開關電容網絡組。電容C1、C2、C3、C4的電壓大小分別為UC1、UC2、UC3、UC4。

圖2 開關電容網絡組Fig.2 Switched-capacitor network group

在圖2a中，由于該網絡組通過電容與電容之間的并聯充放電實現電容電壓的自動均衡，所以稱之為“并聯型開關電容網絡組”。與文獻[18]中的開關電容網絡相比，并聯型開關電容網絡組的輸入輸出端共地，有利于減小EMI。C1、C2、C3、C4的規格參數相同，S1、S2的規格參數相同，VD1、VD2、VD3、VD4的規格參數也相同。另外，通過部分電容電壓的串聯累加升壓可實現較大的輸出電壓。

在圖2b中，串聯型開關電容網絡組由兩個開關電容網絡串聯連接而成。兩個開關電容網絡中，所有的電容電壓串聯累加升壓實現較大的輸出電壓，能實現每個開關電容網絡內部的電容電壓自動均衡，但不能實現兩個開關電容網絡之間的電容電壓自動均衡。因此，C1、C2的規格參數相同，即C1=C2；C3、C4的規格參數相同，即C3=C4；VD1、VD2的規格參數相同，VD3、VD4的規格參數相同。

2 雙輸入升壓變換器

2.1 并聯型雙輸入升壓變換器

采用如圖2a所示的并聯型開關電容網絡組，可構建一種新型多輸入升壓變換器[18]，但由于輸出濾波電感的存在，限制了升壓能力的進一步提高，且在一定程度上增大了電路體積。本文在并聯型開關電容網絡組的基礎上，構建了如圖3所示的并聯型雙輸入升壓變換器，其中，輸入源2與該變換器的輸出端共地。該變換器適用于分時供電模式，分為輸入源1獨立工作和輸入源2獨立工作兩種情況，對其進行了詳細的工作原理分析。

圖3 并聯型雙輸入升壓變換器Fig.3 The parallel-form double-input step-up converter

2.1.1 輸入源1獨立工作

當輸入源1獨立工作時，并聯型雙輸入升壓變換器的等效電路如圖4所示。當S1、S2導通時，VD1、VD2、VD4截止，VD3導通，等效電路如圖4a所示。在此期間，C1與C2并聯，C3與C4并聯，Co向負載R提供能量，得到如下關系

uL1=Uin1

(1)

UC1=UC2

(2)

UC3=UC4

(3)

圖4 等效電路Fig.4 Equivalent circuits

當S1、S2截止時，VD1、VD2、VD4導通，VD3截止，等效電路如圖4b所示。在此期間，C2與C3并聯，且C1、C2、C3、C4串并聯向負載R提供能量。因而，得到如下關系

uL1=Uin1-U1

(4)

UC2=UC3

(5)

Uo=UC1+UC3+UC4

(6)

由式(1)～式(6)可得電容電壓及輸出電壓大小為

(7)

(8)

2.1.2 輸入源2獨立工作

依據并聯型雙輸入升壓變換器的對稱性，可得到當輸入源2獨立工作時，電容電壓及輸出電壓大小分別為

(9)

(10)

2.2 串聯型雙輸入升壓變換器

圖5給出了基于串聯型開關電容網絡組的雙輸入升壓變換器，簡稱為串聯型雙輸入升壓變換器。根據輸入源的接入與否，可分為同時供電模式和分時供電模式。

圖5 串聯型雙輸入升壓變換器Fig.5 The serial-form double-input step-up converter

2.2.1 同時供電模式

當輸入源1、2同時工作時，串聯型雙輸入升壓變換器進入同時供電工作模式，等效電路如圖6所示。當S1、S2同時導通時，VD1、VD2、VD3、VD4截止，VD5導通，等效電路如圖6a所示。此時，網絡1中的電容C1和C2及網絡2中的電容C3和C4分別交叉串聯，向負載R提供能量。當S1、S2同時截止時，VD1、VD2、VD3、VD4導通，VD5截止，等效電路如圖6b所示。此時，網絡1中的電容C1和C2及網絡2中的電容C3和C4分別并聯，因而每個網絡中的電容電壓相同。采用并聯型雙輸入升壓變換器的工作原理分析方法，可得到電容電壓及輸出電壓大小分別為

(11)

(12)

(13)

圖6 兩個輸入源同時工作時的等效電路Fig.6 Equivalent circuits when two input sources work simultaneously

2.2.2 分時供電模式

當輸入源1和輸入源2分別獨立工作時，串聯型雙輸入升壓變換器的輸出電壓大小為

(14)

3 性能分析

3.1 電壓增益與電壓應力

表1給出了兩種雙輸入升壓變換器和傳統Boost變換器的電壓增益及電壓應力對比情況。需要說明的是，在表1中，網絡1及網絡2是指這兩個開關電容網絡中的開關管、電容和二極管的電壓應力。由表1可知，并聯型雙輸入升壓變換器和串聯型雙輸入升壓變換器的電壓增益分別是傳統Boost變換器的3倍和2倍。在相同的輸出電壓情況下，并聯型雙輸入升壓變換器和串聯型雙輸入升壓變換器的器件電壓應力分別是傳統Boost變換器器件電壓應力的1/3、1/2。 因此，可選用電壓應力更小的功率器件，減小電路體積和成本。

表1 電壓增益及電壓應力對比分析Tab.1 Comparation of voltage gains and voltage stresses

3.2 紋波大小

在并聯型雙輸入升壓變換器和串聯型雙輸入升壓變換器中，電感L1、L2的電流紋波大小分別為

(15)

(16)

對于并聯型雙輸入升壓變換器，在一個開關周期內，儲能元件C1、C2、C3、C4向負載R提供能量，依據能量守恒原理可得

(17)

式中UCmax、UCmin代表電容電壓UC的最大值和最小值，且二者存在如下關系

UCmax+UCmin=2UC

(18)

由式(8)、式(17)和式(18)可得并聯型開關電容組的電容電壓紋波大小為

(19)

由于輸出電壓為電容電壓的3倍，因此可近似認為輸出電壓紋波大小為

(20)

而在串聯型雙輸入升壓變換器中，由于兩個開關電容網絡之間互相串聯，因此兩個供電單元的輸出電流相同，即電感L1、L2的平均電流大小相等

IL1=IL2

(21)

又因

(22)

結合式(13)、式(21)和式(22)可得

(23)

由式(11)和式(12)可知，每個網絡的電容電壓相等。為了便于分析，記U1min、U1max分別為網絡1電容電壓U1的最小值和最大值，U2min、U2max分別表示網絡2電容電壓U2的最小值和最大值，Δu1、Δu2分別為網絡1、網絡2的電容電壓紋波大小。

對于網絡1，根據能量守恒原理可得

(24)

又因

U1max+U1min=2U1

(25)

由式(23)～式(25)可得網絡1的電容電壓紋波大小為

(26)

同理，可得網絡2的電容電壓紋波大小為

(27)

在開關管導通期間，兩個開關電容網絡的所有電容交叉串聯，向負載提供能量，輸出電壓為所有電容電壓之和。因此，由式(26)、式(27)可得串聯型雙輸入升壓變換器的輸出電壓紋波大小為

(28)

3.3 電流應力

在并聯型雙輸入升壓變換器中，由于并聯型開關電容網絡組的對稱性，輸入源1獨立工作與輸入源2獨立工作時該變換器的輸出效果相同。因此，本文以輸入源1獨立工作為例闡述該雙輸入升壓變換器器件的電流應力。由圖4可知，在一個開關周期內電感L1的電流大小為

(29)

由式(29)可得開關管S1的電流應力大小為

(30)

由基爾霍夫電流定律可得流過所有二極管及開關管S2的平均電流大小為

(31)

而在串聯型雙輸入升壓變換器中，S1、S2的電流應力和所有二極管的平均電流大小分別為

(32)

(33)

(34)

4 實驗研究

為了驗證兩種新型雙輸入升壓變換器電路拓撲的正確性與可行性，采用傳統的單電壓閉環控制方式，搭建了輸出功率均為160 W、開關頻率為30 kHz的實驗裝置，實驗參數如表2所示。

表2 實驗參數Tab.2 Experimental parameters

4.1 并聯型雙輸入升壓變換器

圖7、圖8分別給出了輸入源1獨立工作和輸入源2獨立工作時并聯型雙輸入升壓變換器的實驗結果。從圖7a～圖7c可知，當輸入源1電壓分別為33 V、40 V、50 V時，電感L1的平均電流分別為5.16 A、4.23 A、3.39 A，而輸出電壓恒定在400 V，可得到該變換器的工作效率為94.1%。從圖7d～圖7f可知，在并聯型開關電容網絡組中，S1、S2、VD1、VD2、VD3的峰值電壓與C1、C2、C3、C4的平均電容電壓相等，為133 V，且約為輸出電壓400 V的1/3。

圖7 輸入源1獨立工作時的實驗結果Fig.7 Experimental results when the input source 1 works independently

圖8 輸入源2獨立工作時的實驗結果Fig.8 Experimental results when the input source 2 works independently

從圖7g和圖7h可知，在輸入源電壓發生跳變的情況下，該變換器的輸出電壓及流過電感L1電流的調節時間短，且輸出電壓的電壓過沖較小，閉環控制效果良好。另外，從圖8可知，當輸入源2獨立工作時，可得到相同的輸出效果。

4.2 串聯型雙輸入升壓變換器

圖9給出了輸入源1、2同時工作時串聯型雙輸入升壓變換器的實驗結果，圖10、圖11分別給出了輸入源1、2獨立工作時的實驗結果。

圖9a中，在兩個輸入源同時工作的情況下，輸出電壓恒定在402 V，與理想設定的電壓值400 V相近。電感L1、L2的電流大小均為3.55 A，驗證了式(23)，且可得到同時供電情況下該變換器的工作效率為91.0%。圖9b中，電容C1與C2的電壓大小相等，為112 V，電容C3與C4的電壓大小也相等，為74 V。這兩個開關電容網絡電壓的不同，是因為兩個不同電壓的輸入源工作在同一控制信號下，與理論分析一致。

圖9 當Uin1=30 V，Uin2=20 V時的實驗結果Fig.9 Experimental results when Uin1=30 V，Uin2=20 V

圖10中，當輸入源1的電壓在50 V和66 V之間變化時，該變換器的輸出電壓穩定在400V，且當輸入電壓為50 V時，電感L1的平均電流為3.40 A，當輸入電壓增加到66 V時，電感L1的平均電流減小為2.58 A。此時，該變換器的工作效率為94.1%。同樣地，從圖11可知，當輸入源2獨立工作時，該變換器的輸出電壓穩定在400 V，且當輸入電壓分別為50 V及66 V時，電感L2的平均電流分別為3.38 A及2.54 A。此時，該變換器的工作效率為94.7%。

圖10 輸入源1獨立工作時的實驗結果Fig.10 Experimental results when the input source 1 works independently

圖11 輸入源2獨立工作時的實驗結果Fig.11 Experimental results when the input source 2 works independently

綜上所述，兩種雙輸入升壓變換器的實驗結果與理論分析的結果相吻合，且單電壓閉環控制效果良好。實驗結果驗證了并聯型雙輸入升壓變換器和串聯型雙輸入升壓變換器的正確性與可行性。

5 結論

本文提出并聯型雙輸入升壓變換器和串聯型雙輸入升壓變換器，給出了詳細的理論分析，并通過實驗研究驗證了理論分析的可靠性。兩種變換器均具有較大的升壓能力，器件應力較小，工作效率高，且并聯型雙輸入升壓變換器具有電壓均衡功能。

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Double Input Step-up Converters Based on Switched-Capacitor Network Group

ChenJianfeiHouShiyingSunTaoBiXiaohui

(State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology(Chongqing University) Chongqing 400044 China)

In renewable hybrid power generation system, the existing multi-input DC-DC converters (MIC) cannot meet working performances requirements well, such as power supply modes, high voltage-gain, small ripples, low component voltage stresses, high efficiency and so on. Therefore, based on switched-capacitor network group, two novel double-input step-up converter topologies including the parallel-form and the serial-form are given. Operation principles and working performances of the two converters are analyzed in detail. In addition, experimental researches have been implemented to verify the correctness and the feasibility of the two circuit topologies.

Switched-capacitor, double-input, step-up, parallel-form, serial-form

重慶市研究生科研創新項目(CYB14015)和中央高校研究生科技創新基金(CDJXS12151107)項目資助。

2014-12-15 改稿日期2015-05-28

TM464

陳劍飛 男，1987年生，博士研究生，研究方向為DC-DC變換器、多電平變換器和可再生能源發電技術等。(通信作者)

侯世英 女，1962年生，教授，博士生導師，研究方向為控制理論、電力電子技術在電力系統中的應用和功率變換器技術等。