改進(jìn)兩相交錯(cuò)Boost電路在船用光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用

龐科旺，郭長(zhǎng)興，張 明

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

太陽(yáng)能發(fā)電由于其清潔無(wú)污染，在我國(guó)得到迅猛的發(fā)展，近年來(lái)也被廣泛應(yīng)用于船舶上。與陸地上固定不動(dòng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)不同，船舶是一種一直在運(yùn)動(dòng)的載體，所以提高船用光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率顯得尤為重要。為了進(jìn)一步提高光伏系統(tǒng)的工作效率，最大功率點(diǎn)跟蹤算法和具有高效率的變換器成為了學(xué)者研究的重點(diǎn)[1]。為此本文研究了一種無(wú)源無(wú)損的軟開(kāi)關(guān)，這種無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)可以解決硬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗問(wèn)題，對(duì)加入這種軟開(kāi)關(guān)單元的Boost電路的各個(gè)模態(tài)進(jìn)行詳盡分析。和有源軟開(kāi)關(guān)相比，這種軟開(kāi)關(guān)不需要增加額外的輔助開(kāi)關(guān)，從而降低了系統(tǒng)控制的難度。而兩相交錯(cuò)技術(shù)可以有效降低電路中的電流紋波，本文將兩者相結(jié)合應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)，以提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。

1 兩相交錯(cuò)Boost電路工作原理

兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost是指兩路完全相同的Boost電路并聯(lián)，輸入端接同一個(gè)供電電源，輸出端與同一個(gè)負(fù)載相接，并且2個(gè)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通相差0.5個(gè)周期，控制信號(hào)相差180 °。兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路完全不改變之前單一Boost電路的輸出特性，雖然元件的個(gè)數(shù)增加了一倍，但是它的優(yōu)點(diǎn)也是不言而喻的[2]。可以有效降低電路中的電流紋波，減小開(kāi)關(guān)器件的容量。兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路圖如圖1所示。

對(duì)該電路做出如下假設(shè)[2–3]：所有開(kāi)關(guān)管器件都被假定為理想的，不計(jì)其導(dǎo)通壓降和阻值；認(rèn)為R，L，C元件假定為線性的、時(shí)不變的；兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路運(yùn)行在電感連續(xù)的模式下，開(kāi)關(guān)管S1和S2以交錯(cuò)方式交錯(cuò)導(dǎo)通。

當(dāng)0＜t＜ton時(shí)，開(kāi)關(guān)管S1和D2處于導(dǎo)通狀態(tài)，開(kāi)關(guān)管S2和D1處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)ton＜t＜T，開(kāi)關(guān)管S2和D1處于導(dǎo)通狀態(tài)，而開(kāi)關(guān)管S1和D2處于關(guān)閉狀態(tài)。兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路就在這2種狀態(tài)下來(lái)回切換。兩相交錯(cuò)運(yùn)行兩支路電感電流波形如圖2所示。

圖1 兩相交錯(cuò)Boost變換器Fig. 1 Two-phase interleaved Boost converter

圖2 交錯(cuò)運(yùn)行電感電流波形Fig. 2 Waveform of interleaved inductor current

兩電感疊加之后的電流脈動(dòng)的峰值為Im′，單個(gè)電感電流脈動(dòng)峰值Im。因?yàn)镈＞0.5和D≤0.5的推導(dǎo)過(guò)程相似，這里僅僅具體分析了D≤0.5情況下的兩者關(guān)系。

當(dāng)t=t0+DTs時(shí)，其中Ts是一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，

當(dāng)t=t0+0.5Ts時(shí)，

最后得出下式，

由式（3）可以清晰地看出疊加之后的電流脈動(dòng)的峰值比單個(gè)電感電流脈動(dòng)的峰值要小，在D=0.5的時(shí)候，疊加脈動(dòng)最小為0，是最理想的工作狀態(tài)。

2 無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)

軟開(kāi)關(guān)是相對(duì)于硬開(kāi)關(guān)而言的，硬開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)是指由于功率元件不是理想的器件，不能實(shí)現(xiàn)在電流等于0的狀態(tài)下關(guān)斷，在電壓等于0的狀態(tài)下開(kāi)通。在這種情況下，電壓和電流就會(huì)出現(xiàn)重疊區(qū)域，這個(gè)重疊部分稱之為開(kāi)關(guān)損耗，并且頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗也就越大[4]。

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)出現(xiàn)是為了解決開(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)關(guān)損耗之間的矛盾的，它不僅可以有效減小開(kāi)關(guān)損耗，還可以增強(qiáng)變換器的抗干擾能力。具體而言，在Boost電路中加入數(shù)值不大的諧振電感和諧振電容，引入諧振過(guò)程在開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)的過(guò)程前后，使得開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通前電壓降為0，或者關(guān)斷前電流降為0，這樣就能夠消除開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中的電壓和電流的重疊部分，降低了它們的變化率，從而極大地降低了器件的開(kāi)關(guān)損耗和EMI，從而達(dá)到降低開(kāi)關(guān)損耗的目標(biāo)[5–6]

2.1 無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)電路

圖3是一種具有最小電壓應(yīng)力的、加入軟開(kāi)關(guān)單元的Boost電路，最小應(yīng)力是指開(kāi)關(guān)管在軟開(kāi)關(guān)條件下工作時(shí)不會(huì)增加開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力。圖3的電路中，S為開(kāi)關(guān)管，電感Lr為緩沖電感，它與二極管串聯(lián)，二極管D的開(kāi)通和關(guān)斷受它控制，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管S的零電流導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)通[2]。電容Cr則與開(kāi)關(guān)管S并聯(lián)，用以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的軟關(guān)斷。緩沖電容Cs的功能主要是實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換，通過(guò)Lr，Cr，Cs三者之間的諧振從而儲(chǔ)存并且轉(zhuǎn)移能量，電路中的3個(gè)二極管D1，D2，D3主要起到輔助作用，輔助完成電路中的能量的轉(zhuǎn)移[4]。這種電路的軟開(kāi)關(guān)單元布局相對(duì)而言比較簡(jiǎn)單，而且工作在軟開(kāi)關(guān)的狀態(tài)下能夠維持功率開(kāi)關(guān)管的最小電壓應(yīng)力。

圖3 無(wú)源無(wú)損Boost電路Fig. 3 Passive lossless boost circuits

2.2 無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)模態(tài)分析

無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)的一個(gè)周期可以分成8個(gè)狀態(tài)，如圖4所示，下面對(duì)這8個(gè)狀態(tài)進(jìn)行詳盡分析。

狀態(tài)1（t0～t1階段）：在t0時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管S開(kāi)通，在這個(gè)開(kāi)通的間，由于緩沖電感Lr的存在，使得流經(jīng)二極管D的電流不能立即降為0，而是緩慢的下降。同理，開(kāi)關(guān)管的電流也是緩慢逐步的上升，這就很好的抑制了開(kāi)關(guān)管電流的上升率，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電流導(dǎo)通。到t1時(shí)刻，狀態(tài)1結(jié)束，開(kāi)關(guān)管的電流已經(jīng)增大到負(fù)載電流，而電感Lr上的電流也逐漸減小到0，此時(shí)二極管D關(guān)斷，進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)。

圖4 無(wú)源無(wú)損Boost電路工作模態(tài)Fig. 4 Operating mode of passive lossless Boost circuit

狀態(tài)2（t1～t2階段）：此階段，二極管D2開(kāi)始導(dǎo)通，由Lr，Cr，Cs形成諧振回路，通過(guò)回路UO-Cr-D2-Cs-Lr-S充電。在這一過(guò)程中電容Cr會(huì)不斷充電直到UO，這為零電壓關(guān)斷做準(zhǔn)備。Lr的電流、Cs和Cr上的電壓分別為：

其中

狀態(tài)3（t2～t3階段）：此階段D3導(dǎo)通。Lr和Cs組成串聯(lián)諧振，Lr通過(guò)Lr-D3-D2-Cs回路向Cs充電。在這個(gè)過(guò)程中，Lr把零電流導(dǎo)通時(shí)存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)移給了Cs，Lr上的電流逐漸下降，開(kāi)關(guān)管S上的電流開(kāi)始降低，在本過(guò)程結(jié)束時(shí)，開(kāi)關(guān)管S上的電流降為I[2,7]。Lr的電流、Cs上的電壓分別為：

狀態(tài)4（t3～t4階段）：這個(gè)階段屬于Boost升壓電路的正常工作階段，因?yàn)榇藭r(shí)，Lr上的電流下降到0，D2和D3同時(shí)關(guān)斷。

狀態(tài)5（t4～t5階段）：t4時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，電流會(huì)經(jīng)D3和Cr與負(fù)載端相連。在狀態(tài)2階段，Cr的電壓已經(jīng)到了UO，和輸出端電壓的值大小相同，但方向相反，所以此時(shí)開(kāi)關(guān)管S的電壓為0，并且不會(huì)突變，只能從零緩慢的增加，從而減小了開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)的電流上升的重疊區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓關(guān)斷，電容Cr以I開(kāi)始放電，開(kāi)關(guān)管電壓開(kāi)始上升[7]。

狀態(tài)6（t5～t6階段）：狀態(tài)5結(jié)束后，Cr放電結(jié)束，D1和D2導(dǎo)通，形成新的回路。因?yàn)殡娐返闹C振放電，電感Lr上的電流不斷上升，與此同時(shí)，Cs也不斷向輸出端放電[8]。Lr的電流和Cs上的電壓如下：

這個(gè)過(guò)程中，如果要使電路工作在軟開(kāi)關(guān)的狀態(tài)下，則必須保證Lr的電流先升至I，在此之后Cs才能放電到0。即需要滿足Cs中的能量大于電感Lr中的能量，也就是

狀態(tài)7（t6～t7階段）：狀態(tài)6結(jié)束時(shí)，二極管D2和D3關(guān)斷，電感Lr的電流值已經(jīng)升至I，以電流I向輸出端進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移。此階段電容Cs的電壓為式（14）所示：

同時(shí)，電容Cs向輸入端放電，將其存儲(chǔ)的能量反饋給輸入端，完成能量恢復(fù)。

狀態(tài)8（t7～t8階段）：狀態(tài)7結(jié)束時(shí)，Cs的能量已經(jīng)消耗完畢。此時(shí)二極管D1自動(dòng)關(guān)閉，而二極管D開(kāi)始導(dǎo)通。電路進(jìn)入正常工作模式，一個(gè)周期循環(huán)結(jié)束。

3 基于改進(jìn)的Boost電路仿真模型分析

基于改進(jìn)Boost電路在Matlab環(huán)境下搭建了仿真模型[9]。該仿真模型主要包括了光伏電池模塊、PWM模塊以及改進(jìn)的Boost電路。由于本文研究的重點(diǎn)在于Boost電路而不是最大功率點(diǎn)跟蹤算法，所以對(duì)MPPT算法就不多做介紹，采用擾動(dòng)觀察法作為跟蹤算法。

改進(jìn)Boost電路中元件的具體參數(shù)如下：電感L=0.01 H，L2=0.01 H，Cdu=470 μF，C=600 μF，Cs=4.8 μF，CR=0.3 μF，R=30 Ω。將仿真時(shí)間設(shè)為 0.6 S，采用ode23tb算法，為了使仿真模型更加簡(jiǎn)潔明了，將軟開(kāi)關(guān)單元封裝為子模塊（見(jiàn)圖5），該仿真建立在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，即溫度為25 ℃，光照強(qiáng)度為1 000 W/m2；光伏電池的出廠參數(shù)為：Isc=8.58 A，Im=7.85 A，Um=17.2 V，Uoc=22 V，由出廠參數(shù)可以算出Pm=135 W。仿真模型如圖6所示。

圖5 封裝子模塊的軟開(kāi)關(guān)單元Fig. 5 The submodule of the soft switching unit

圖6 改進(jìn)Boost電路整體仿真模型Fig. 6 The simulation model of improved Boost circuit

由圖7和圖8可以看出，單一Boost電路輸出功率為115～122 W，效率在85%～90%，而改進(jìn)的Boost電路輸出的功率為125～127 W，效率為93%左右，由此可見(jiàn)和單一Boost電路相比，改進(jìn)之后的Boost電路不僅可以有效改善了輸出功率的波動(dòng)，還提高了系統(tǒng)的輸出效率。

圖7 改進(jìn)Boost和未改進(jìn)Boost輸出功率Fig. 7 Output power of improved Boost and unmodified Boost circuit

圖8 輸出功率的局部放大圖Fig. 8 Partial amplification of output power

圖9的兩支路的電感電流波形與第1節(jié)分析的一樣，疊加之后可以有效的減小電流的紋波。

圖9 兩支路電感電流的局部放大圖Fig. 9 Partial amplification of two-channel inductor current

4 結(jié) 語(yǔ)

光伏發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載端輸出功率不高且波動(dòng)較大，針對(duì)船舶這一特殊載體，本文提出了一種在沒(méi)有增加開(kāi)關(guān)器件條件下的改進(jìn)的Boost電路，在改進(jìn)的電路中將無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)單元和兩相交錯(cuò)技術(shù)結(jié)合使用，并在Matlab/Simulink的環(huán)境下搭建了船用光伏系統(tǒng)的仿真模型以及電路中各元件的具體參數(shù)。通過(guò)仿真可以發(fā)現(xiàn)，和傳統(tǒng)單一的Boost電路相比，改進(jìn)的Boost電路的船用光伏發(fā)電系統(tǒng)具有更高的輸出效率，而且負(fù)載端的輸出功率的波動(dòng)更小。