新型開關(guān)-耦合電感二次型高增益Boost變換器

徐進(jìn)文, 王 賓, 石曉艷, 陳忠輝, 張 坤

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,安徽 淮南 232001)

隨著傳統(tǒng)的一次能源消耗不斷增加,能源短缺和環(huán)境污染等問題日益受到關(guān)注,發(fā)展綠色可再生能源已經(jīng)成為趨勢,其中太陽能光伏發(fā)電、燃料電池等新能源發(fā)電方式輸出電壓等級較低,無法直接逆變并網(wǎng)。為了適應(yīng)并網(wǎng)所需直流母線電壓等級的要求,需要通過使用DC-DC變換器對電壓等級進(jìn)行提升[1-2]。DC-DC變換器分為隔離型和非隔離型2種,相對于隔離型變換器而言,非隔離型DC-DC變換器具有體積小、功率密度高等優(yōu)點(diǎn),在新能源方面有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的Boost變換器增益為1/(1-D),理論上增大占空比D可以取得較高的增益,但是由于等效電阻以及電路寄生參數(shù)的影響,增益的范圍受到很大限制。為了獲得較高增益,開關(guān)管需要工作在極限占空比條件下,并帶來輸出二極管反向恢復(fù)損耗和開關(guān)損耗增大、開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力較大等問題[3]。為了進(jìn)一步提升變換器增益,有學(xué)者提出級聯(lián)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),將2個Boost變換器級聯(lián)成1個變換器,增益為1/(1-D)2,用1個二極管代替前級Boost變換器開關(guān)管,形成二次型Boost變換器基本拓?fù)?通過單開關(guān)級聯(lián)技術(shù)大大簡化了控制的難度,并將增益大幅度提升[4]。文獻(xiàn)[5]在傳統(tǒng)二次型Boost變換器基礎(chǔ)上增加了開關(guān)電感升壓單元,提升了變換器增益,但是并沒有減小開關(guān)管的電壓應(yīng)力;文獻(xiàn)[6-7]提出了基于耦合電感的升壓變換器,增益提升仍然有限;文獻(xiàn)[1]在耦合電感升壓變換器的基礎(chǔ)上提出了一種帶無源無損LC吸收回路,回收了漏感能量并抑制了開關(guān)管兩端電壓尖峰;文獻(xiàn)[8-9]提出的級聯(lián)型升壓變換器,雖然可以通過串聯(lián)結(jié)構(gòu)獲得更高的增益,但是后級開關(guān)器件所受電壓應(yīng)力較大,且整個電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,控制難度增加；文獻(xiàn)[10]通過在傳統(tǒng)二次型變換器的基礎(chǔ)上引入文獻(xiàn)[11-12]的高增益Boost三端網(wǎng)絡(luò),改進(jìn)后的變換器減小了開關(guān)管電壓應(yīng)力,增益提升效果不明顯。為此,本文提出一種單開關(guān)、高增益、低電壓應(yīng)力的二次型Boost變換器,引入開關(guān)電感和耦合電感單元,變換儲能電容的位置,并增加無源無損吸收回路,在保證變換器高增益輸出的同時,吸收開關(guān)管電壓尖峰,減小了開關(guān)管和儲能電容的電壓應(yīng)力,有利于提高直流變換的效率。

1 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作模態(tài)

1.1 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)二次型Boost變換器如圖1所示,改進(jìn)后的開關(guān)-耦合電感二次型高增益Boost變換器如圖2所示。本文對原來的電路拓?fù)溥M(jìn)行了如下變動:① 改變了儲能電容C1的位置,相對于傳統(tǒng)Boost變換器,C1的電壓應(yīng)力大幅度減小,可選用耐壓值低和體積小的儲能電容;② 原拓?fù)渲械碾姼蠰1用開關(guān)電感單元L1、L2替換,增加變換器增益;③ 增加耦合電感單元,并引入鉗位二極管D5和吸收電容C2,組成無源無損漏感吸收回路,減小開關(guān)管兩端電壓尖峰,吸收耦合電感副邊漏感能量。

因?yàn)轳詈想姼锌傻刃樵边呍驯葹閚p∶ns的理想變壓器與勵磁電感Lm并聯(lián),與漏感Lk串聯(lián),其中,Lk為原邊漏感和副邊折算到原邊的漏感之和[13]，所以開關(guān)-耦合電感Boost變換器的等效電路如圖3所示。

圖1 傳統(tǒng)二次型Boost變換器

圖2 改進(jìn)的開關(guān)-耦合電感二次型高增益Boost變換器

圖3 等效電路

1.2 工作模態(tài)

為簡化分析,做如下假設(shè):① 電路中各元件均為理想器件,忽略寄生參數(shù)的影響；② 電容值足夠大,兩端電壓基本保持恒定不變;③ 電路工作在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM);④ 耦合電感原副邊匝數(shù)比為np∶ns=1∶n,其中，n為匝數(shù)比;⑤ 開關(guān)電感L1=L2。

在一個穩(wěn)態(tài)開關(guān)周期中,變換器主要有3種工作模態(tài),主要的工作波形和模態(tài)如圖4、圖5所示,每個模態(tài)的過程分析如下所述。

圖4 變換器的主要工作波形

圖5 一個開關(guān)周期中的3種工作模態(tài)

(1) 開關(guān)模態(tài)1(t0～t1)。當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通時,二極管D12、D3、D5、D6反向截止,D1、D2、D4正向?qū)?Vi對L1、L2并聯(lián)充電,Vi與C1一起對漏感Lk與勵磁電感Lm充電,電感中的電流逐漸上升,且漏感電流等于勵磁電流,負(fù)載側(cè)電容C3對負(fù)載R放電。當(dāng)開關(guān)管S關(guān)斷時,進(jìn)入下一個開關(guān)模態(tài)。

(1)

其中,I(t0)為iLm、iLk在t0時刻的值。

(2) 開關(guān)模態(tài)2(t1～t2)。當(dāng)t1時刻開關(guān)管S關(guān)斷時,二極管D1、D2、D4反向截止,D12、D3、D5、D6正向?qū)?電感L1、L2串聯(lián)放電,并通過D12、D3對電容C1充電,漏感Lk存儲的能量通過回路對電容C2充電,勵磁電感Lm通過磁耦合將能量傳送到副邊,并通過二極管D6向電容C3和負(fù)載R放電,漏感電流和勵磁電流線性下降,因?yàn)槁└斜葎畲烹姼行〉枚?所以電流下降得更快。當(dāng)漏感能量釋放完,在t2時刻漏感電流下降為0,二極管D5零電流關(guān)斷,進(jìn)入下一個開關(guān)模態(tài)。

(2)

其中,I(t1)為iLm、iLk在t1時刻的值。

(3) 開關(guān)模態(tài)3(t2～t3)。當(dāng)t2時刻漏感Lk能量釋放完畢,電感L1、L2繼續(xù)串聯(lián)對電容C1充電,勵磁電感剩余能量繼續(xù)通過副邊和電容C2一起向輸出側(cè)電容C3和負(fù)載R放電,變換器在一個開關(guān)周期內(nèi)的工作模態(tài)結(jié)束,開始下一個開關(guān)周期。

(3)

其中,I(t2)為iLm在t2時刻的值。

2 變換器性能分析

在一個穩(wěn)態(tài)開關(guān)周期內(nèi),開關(guān)管S導(dǎo)通時有:

(4)

開關(guān)管S關(guān)斷后有:

(5)

結(jié)合(4)式、(5)式,根據(jù)電感L1、L3的伏秒平衡特性有如下等式成立:

(6)

其中:D為開關(guān)管的導(dǎo)通占空比;n為耦合電感匝數(shù)比ns/np。

由(6)式可得:

(7)

變換器的電壓增益M為:

(8)

儲能電容C1位置變換前的電壓應(yīng)力為:

(9)

定義儲能電容C1電壓應(yīng)力系數(shù)為:

MC=VC1/Vo

(10)

開關(guān)管S電壓應(yīng)力系數(shù)為:

MS=VDS/Vo

(11)

根據(jù)(8)式可知，變換器的增益不僅與占空比D有關(guān),還與耦合電感匝數(shù)比n有關(guān)。增益M與匝數(shù)比n及占空比D的變化曲線如圖7所示,通過合理配置n與D的值,可以獲得較高的增益,同時降低了儲能電容C1的電壓應(yīng)力VC1。

電壓應(yīng)力計算公式為:

(12)

(13)

結(jié)合(7)式、(8)式、(12)式、(13)式,可得開關(guān)管S電壓應(yīng)力為:

(14)

二極管電壓應(yīng)力為:

(15)

(16)

圖6 儲能電容C1電壓應(yīng)力系數(shù)MC與占空比D的關(guān)系

圖7 增益M與匝數(shù)比n及占空比D的變化曲線

從電壓增益M、開關(guān)管電壓應(yīng)力VDS角度對不同變換器性能進(jìn)行對比分析,結(jié)果見表1所列。

表1 不同變換器的性能參數(shù)對比

不同變換器的電壓增益M對比結(jié)果如圖8所示，開關(guān)管電壓應(yīng)力系數(shù)MS與占空比D的關(guān)系如圖9所示。當(dāng)匝數(shù)比n=3時,從表1、圖8可以看出,傳統(tǒng)二次型變換器和開關(guān)電感二次型變換器增益M提升有限,且開關(guān)管VDS電壓應(yīng)力等于輸出電壓大小,對開關(guān)管耐壓值提出了更高的要求。耦合電感二次型變換器在提高電壓增益的同時降低了器件的電壓應(yīng)力,整體性能得到提高。本文提出的變換器在耦合電感二次型變換器的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提高了電壓增益,使得變換器在輸出相同等級的電壓時,所需占空比更小,避免了變換器工作在極限占空比的狀態(tài)下,減少開關(guān)管導(dǎo)通損耗。

圖8 不同變換器的電壓增益M對比

圖9 開關(guān)管電壓應(yīng)力系數(shù)MS與占空比D關(guān)系

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證理論分析的正確性,在PSIM軟件中搭建了仿真模型,并進(jìn)行了仿真研究。

仿真參數(shù)的設(shè)置如下:輸入電壓Vi=10 V;輸出電壓Vo=150 V;開關(guān)頻率50 kHz;匝數(shù)比ns∶np=n=3;占空比D=0.5;漏感Lk=2 μH;勵磁電感Lm=60 μH;開關(guān)電感L1=L2=40 μH;電容C1=220 μF，C2=C3=47 μF;負(fù)載R=500 Ω。

不同變換器輸出電壓等級對比結(jié)果如圖10所示,從圖10可以看出,當(dāng)輸入電壓為Vi=10 V時,本文提出的Boost變換器電壓增益最高,輸出電壓達(dá)到150 V。開關(guān)-耦合電感二次型變換器開關(guān)管電壓應(yīng)力波形如圖11所示,從圖11可以看出,由于引入無源無損吸收回路,吸收了開關(guān)管的電壓尖峰,并且將電壓鉗位在60 V左右,遠(yuǎn)低于變換器輸出電壓等級,保護(hù)開關(guān)管避免了尖峰電壓的沖擊。儲能電容C1電壓應(yīng)力波形對比結(jié)果如圖12所示,從圖12可以看出,變換位置后的儲能電容C1兩端的電壓應(yīng)力明顯減小,降低了對儲能電容C1耐壓等級的要求,有利于縮減元件的成本和體積。

圖10 不同變換器輸出電壓等級對比

圖11 開關(guān)-耦合電感二次型變換器開關(guān)管電壓應(yīng)力波形

圖12 儲能電容C1電壓應(yīng)力波形對比

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于開關(guān)-耦合電感的新型二次型升壓變換器,通過增加開關(guān)電感和耦合電感單元大幅度提升變換器增益,引入無源無損吸收回路,減小開關(guān)管兩端的電壓應(yīng)力,變換儲能電容C1的位置后,大大降低了電容兩端的電壓應(yīng)力。仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性和可行性。