高增益DC—DC變換器在光伏系統中的應用研究

房緒鵬+閆鵬+趙珂+于志學

摘 要： 以光伏、燃料電池為代表的新能源產業正逐漸興起，通過高升壓的DC?DC變換器將光伏輸出電壓提升到常規母線直流電壓，用來保證正常的并網逆變，但由于其輸出電壓等級較低，很難達到應用場合所需的電壓要求。為了克服這種缺陷，主要介紹目前光伏發電行業不同應用場合下的高增益直流變換器拓撲，同時對高增益變換器進行分類。把幾種高增益直流變換器的拓撲進行總結，并分析其工作原理以及優缺點，指出未來直流變換器拓撲的發展趨勢和所面臨的挑戰。

關鍵詞： 新能源； 光伏發電； 并網； 高增益； DC?DC變換器； 電壓應力

中圖分類號： TN710?34； TM461.5 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）03?0141?05

Abstract： The new energy resource industry such as photovoltaic power generation and fuel cell is gradually rising. The high boost DC?DC converter can increase the photovoltaic output voltage to the conventional DC busbar voltage to ensure the normal grid connection and inversion， but is difficult to realize the voltage requirements of application scenario. In order to eliminate the defects， the high?gain DC converter topologies in different applications are introduced for photovoltaic power generation industry， and the high?gain converter is classified. The topologies of several high?gain converters are summarized， and their working principles， advantages and disadvantages are analyzed. The development trend and challenge of the future DC converter topology are pointed out.

Keywords： new energy resource； photovoltaic power generation； grid connection； high gain； DC?DC converter； voltage stress

伴隨著環境污染的日益嚴重，人們對能源的需求量不斷加大，以光伏、燃料電池等為代表的新能源因具有清潔和可再生特性日益受到人們的關注。但由于以光伏和燃料電池為代表的新能源發電系統的輸出電壓較低，既不能滿足現有設備的供電需求，又不能達到供給電網的需求。因此，在這些場合高增益的DC?DC變換器就有了用武之地。本文把現有的高增益DC?DC變換器加以總結，詳盡地分析其工作原理和優缺點，以方便同行的應用。

1 各種變換器類型及其結構

1.1 傳統boost升壓變換器

傳統boost變換器電路拓撲如圖1所示。該變換器有兩種工作狀態。開關管S1處于導通狀態時，電源向電感儲能，儲存的能量為當S1處于斷態時，電源和電感共同向電容充電同時向負載供電。此時，電感釋放的能量為周期根據電感在一個周期積累和釋放的能量相等，可得因此可得boost變換器的升壓因子為

傳統boost電路以結構簡單、元器件少為優點。缺點：傳統boost變換器升壓困難，當拓撲升壓因子很大時，其開關導通比接近于1。如，當升壓因子高于5時，占空比高于0.8，在此條件下會導致開關損耗加劇和升溫過高，對直流電源有很大影響，同時變換效率低，不適合在電壓增益很高的場合應用。

1.2 新型boost升壓變換器

新型boost變換器電路拓撲如圖2所示。

新型boost變換器有兩種工作狀態。開關管S1導通時，二極管D1，D2關斷，D0導通，電源給電感充電，電容對充電，同時對負載放電。開關管S1關斷時，二極管D0截止，D1，D2導通，電源對電容和充電，電容對負載提供能量。新型boost變換器的升壓因子。

新型boost變換器的優點：相比于傳統boost，新型boost變換器在提高電路變換效率的同時，提高了電壓增益。具有結構簡單、控制簡便的特點。但相比于傳統boost變換器，增加了元器件的數量。

1.3 二次型boost升壓變換器

二次型boost變換器電路拓撲如圖3所示。

二次型boost變換器有兩種工作狀態。當開關管S1導通時，二極管D2導通，二極管D1，D3關斷，輸入電源給電感充電，電容給電感充電，電容給負載放電；開關管S1關斷時，二極管D2關斷，二極管D1，D3導通，電感向電容充電，電感向電容充電，并且同時向負載提供能量。二次型boost變換器的升壓因子。

二次型boost變換器的優點：在相同的占空比下，較傳統的boost變換器有更大的電壓增益，升壓能力得到提升。缺點：在提高升壓能力的同時，開關器件的電流、電壓應力也提高，這使得開關器件的壽命縮短，也使得安全性降低，同時增大了電路的體積。

1.4 改進二次型boost升壓變換器

改進二次型boost變換器電路拓撲如圖4所示，其等效電路如圖5a）和圖5b）所示。endprint

改進二次型boost變換器有兩種工作狀態。當開關管S1導通時，二極管D0，D1關斷，D2，D3導通，電源給電感和電容充電，電容向電感放電；當開關管S1關斷時，二極管D2，D3關斷，D0，D1導通，電源給電容充電，電感放電，電容給負載放電。改進二次型boost變換器升壓因子。

改進二次型boost變換器的優點：改進二次型boost變換器的升壓能力比二次型boost變換器有所提升，在相同升壓倍數時，所需的占空比減小。同時降低了開關器件的電流和電壓應力，節約了器件的成本。缺點：增加了元器件的數量，帶來一定的能量損耗，并且電路的體積變大。

1.5 Z源升壓變換器

Z源升壓變換器電路拓撲如圖6所示。其等效電路如圖7a）和圖7b）所示。

Z源變換器有兩種工作狀態。當開關管S1導通時，二極管D1關斷，電容給負載供電，輸出濾波電感電流減小；當開關管S1關斷時，二極管D1導通，電源和電感共同給負載供電，輸出濾波電感電流增大。Z源升壓變換器的升壓因子。

Z源升壓變換器的優點：其升壓因子在占空比小于0.5的情況下，任意直流電壓可以被完全輸出。在相同占空比的情況下，此變換器的輸出遠高于傳統boost變換器；電路簡單，增加元器件少，有效地控制了成本的增加。

1.6 3?Z阻抗網絡升壓變換器

3?Z阻抗網絡升壓變換器電路拓撲見圖8。3?Z阻抗網絡升壓變換器有3個阻抗源網絡。由二極管D1，D2和D3以及電感組成第一個Z源網絡；由二極管D4，D5和電容以及開關管S1組成第二個Z源網絡；由電感和二極管D6，D7和D8組成第三個Z源網絡。第一個Z源網絡起第一級升壓作用，第三個Z源網絡起第二級升壓作用。3?Z阻抗網絡升壓變換器的升壓因子為。

3?Z阻抗網絡升壓變換器的優點：相比于傳統boost，輸出電壓增益較高，理論可達350倍，且只用了一個開關管，解決了光伏電池輸出電壓低而需要高增益變換器的問題。

1.7 推挽式直流變換器

推挽式直流變換器的電路拓撲見圖9。推挽式直流變換器由兩個正激式變換器組成。開關管S1，S2在一個周期內各自導通半個周期，交替給負載提供能量。當推挽式變換器輸出采用橋式整流電路時，電路中的二極管所受的壓力只有全波電路的因而適用于高電壓輸出場合。

推挽式直流變換器的優點：結構簡單；開關管的驅動控制無需電氣隔離。缺點：開關管關斷的瞬間，由于開關管的結電容與變壓器漏感電流易發生振蕩，導致開關管承受很大的電壓沖擊，易致開關管損壞；變壓器容易偏磁，磁芯飽和。

1.8 移相全橋ZVZCS直流變換器

ZVZCS移相全橋變換器電路拓撲見圖10。移相全橋ZVZCS變換器采用零電壓、零電流開關移相全橋拓撲結構。通過開關管S1，S3上的電容實現超前橋臂零電壓開關；續流期間箝位電容上的電壓反射到變壓器的一側，再通過變壓器漏感，實現滯后橋臂的零電流開關。移相全橋ZVZCS直流變換器的升壓因子

移相全橋ZVZCS直流變換器的優點：二次側輔助電路結構簡單；變換器可以在很寬的負載范圍內實現超前橋臂的零電壓開關和滯后橋臂的零電流開關，整體變換效率較高，適用于大功率場合。移相全橋ZVZCS直流變換器的缺點：當飽和電感工作在飽和以及不飽和狀態下時，高頻率工作時損耗較大，電感嚴重發熱，變換器損耗程度加深，轉換效率降低；由于飽和電感與最大輸入電壓有關，輸入電壓范圍較寬時，副邊占空比損失較多，進而降低了效率值。

1.9 反激式變換器

反激式變換器電路拓撲見圖11。反激式式變換器有兩種狀態。當開關管S1導通時，初級繞組的感應電壓上正下負，次級繞組的感應電壓方向與初級繞組相反，二極管D0關斷，初級繞組中存儲能量；當開關管S1截止時，初級繞組的感應電壓上負下正，次級繞組的感應電壓方向與初級繞組相反，初級繞組中存儲能量，通過次級繞組、二極管D0整流以及電容濾波后給負載供能。反激式變換器升壓因子。

反激式變換器的優點：電路簡單，效率高；適用于小功率多路輸出場合，與輸入電壓關系不大。缺點：輸出電壓波紋較大，一般達到1%；電壓負載調整率相對較低；處理功率較小，一般在150 W以下。

1.10 正激式變換器

正激式變換器電路拓撲見圖12。正激式變換器有兩種工作狀態。當開關S1導通時，變壓器繞組的電壓上正下負，與其耦合的繞組的電壓方向與相同。因此二極管D0處于導通狀態時，電感的電流逐漸增長；當開關管S1關斷后，電感通過二極管D2續流，D0關斷，電感的電流逐漸下降。正激式變換器升壓因子。

正激式變換器的優點：電路簡單，銅耗較低；輸出電壓電流紋波較?。婚_關管應力較小。

1.11 推挽正激式變換器

推挽正激式變換器電路拓撲見圖13。推挽正激式變換器的優點：變壓器磁芯雙向磁化，具有較高的磁芯利用率；由于箝位電容的加入，抑制了開關管電壓尖峰與變壓器的偏磁，降低了開關管的電壓應力，有利于開關管的選取，同時減小了輸入電流脈動；采取電壓型控制方案，控制電路簡單。

1.12 軟開關隔離式單級開關ZCS?ZVS變換器

隔離式單級開關ZCS?ZVS變換器電路拓撲見圖14。

軟開關隔離式單級開關ZCS?ZVS變換器有以下特點：開關的ZCS開通及ZVS關斷與電壓和負載的變化無關；可以實現所有二極管ZCS關斷；由于CCM操作，輸入電流紋波較??；由于磁化電流低，變壓器容量變??；適用于高電壓場合，效率高；與傳統反激變換器對比，具有成本低、功率密度大、效率高的特點。軟開關隔離式單級開關ZCS?ZVS變換器的升壓比為變壓器匝數比。

2 高增益DC?DC變換器的比較

前文對應用于各個場合的高增益直流變換器進行了分析，表1是對以上直流變換器之間的比較。endprint

通過表1可知，傳統boost變換器不適合高電壓場合，二次型boost變換器相比于傳統boost變換器，在相同的占空比下，升壓能力得到提升，但同時，電流、電壓的應力同時提高，元器件的損耗加劇，壽命變短。正激式、反激式變換器雖然電路簡單，轉換效率高，但是必須要考慮抑制偏磁的問題，使得開關管的應力降低。

3 結 語

直流變換器在光伏發電系統應用越來越廣泛，隨著電力電子技術的大力發展，直流變換器今后的發展趨勢是小型化、高效化、高可靠性。總的來說，采用軟開關技術可以提高轉換效率，從而減小變換器的體積；在大功率變換中采用硬開關可降低電路的復雜度，從而節約成本。但是目前的直流變換器仍存在一些問題，如提高電壓增益的同時，電流、電壓應力沒有改善等問題；半橋變換器、全橋變換器存在偏磁問題；推挽變換器輸出電壓增益高，無需驅動電路隔離，但也存在變壓器結構復雜，體積較大等缺陷。

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