適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的新型高增益DC/DC變換器

劉文琪，丁穩(wěn)房

(湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢430068)

近年來，全球氣候變暖問題引發(fā)了強(qiáng)烈關(guān)注，為減少二氧化碳排放，科學(xué)家們持續(xù)努力開發(fā)綠色能源技術(shù)。太陽能和氫能發(fā)電是綠色清潔的，可以部分替代化石能源發(fā)電。太陽電池輸出電壓會(huì)隨發(fā)電條件變化而產(chǎn)生波動(dòng)；燃料電池輸出性能與其所連接的負(fù)載有關(guān)。

實(shí)際應(yīng)用中的兩種微源需要在輸出端接入一級高增益DC/DC 變換器[1-2]。文獻(xiàn)[3]提出了級聯(lián)式變換器，這是一種直接有效的提升變壓器電壓增益思路，但前后重復(fù)的連接方式增加了電路的成本，且損耗較大，不利于提升變換器的功率密度；文獻(xiàn)[4]在基本Boost 變換器的基礎(chǔ)上引入了耦合電感和開關(guān)電容技術(shù)，獲得了比常規(guī)升壓變換器更大的升壓轉(zhuǎn)換比，但是在超高電壓增益的應(yīng)用中，需要使用更多的器件數(shù)量，增加了變換器設(shè)計(jì)的復(fù)雜性以及成本；文獻(xiàn)[5]利用耦合電感在基本的開關(guān)電容型Boost 變換器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)；文獻(xiàn)[6]將半波電壓倍增單元添加至集成的箝位電路中以進(jìn)一步提高電壓增益。該變換器可以在正激和反激模式下工作，因此提高了磁芯的利用率，但是開關(guān)管的電壓應(yīng)力很高。文獻(xiàn)[7]通過觀察無源箝位型耦合電感Boost 變換器的結(jié)構(gòu)，提出了耦合電感、開關(guān)管以及輸入電壓源三者組成的功率單元，且基于該功率單元提出了對應(yīng)的高增益DC/DC 變換器，但是電壓增益有限。

相比其他文獻(xiàn)所提變換器，本文基于已提出的功率單元概念，構(gòu)造了一種新型的高增益DC/DC 變換器，在提升電壓增益的同時(shí)減輕了元器件的電壓應(yīng)力。文中分析了變換器的工作原理和性能特征，制作了500 W 的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對所提變換器的穩(wěn)定性及可行性進(jìn)行了測試。

1 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及原理

1.1 變換器拓?fù)?/h3>

本文在文獻(xiàn)[7]基本功率單元結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出新型高增益DC/DC 變換器拓?fù)浞绞剑涞刃щ娐芬妶D1。

圖1 中電路由直流輸入電壓源(Ui)、開關(guān)管(Q)、二極管(D0，D1，D2和Dc)、電容(C0，C1，C2和Cc)、負(fù)載電阻(Ro)、變比為Np∶Ns的耦合電感L組成，耦合電感采用漏感Lk、勵(lì)磁電感Lm以及理想變壓器組成的模型。

圖1 所提變換器的等效電路

在理論分析時(shí)假設(shè)條件是：功率器件上的寄生參數(shù)及損耗均忽略不計(jì)；所有電容的容值足夠大；在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)其電壓紋波為零。

1.2 變換器工作原理

圖2 為變換器在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的主要工作波形，圖3為變換器在每個(gè)工作模態(tài)時(shí)對應(yīng)的電流路徑以及等效電路。

圖2 變換器的工作波形

(1)工作模態(tài)1：t0～t1

如圖3(a)所示，開關(guān)管Q 開通，直流電壓源Ui通過開關(guān)管給漏感Lk儲(chǔ)能，電流iLk線性增大，勵(lì)磁電感仍處于放電狀態(tài)。在t=t1時(shí)刻，漏感電流iLk與勵(lì)磁電感電流iLm兩者大小相等，流過二極管D0的電流自然到零，二極管D0關(guān)斷，該模態(tài)結(jié)束。

(2)工作模態(tài)2：t1～t2

如圖3(b)所示，開關(guān)管Q 導(dǎo)通，漏感電流iLk和勵(lì)磁電感電流iLm均繼續(xù)保持線性上升。耦合電感的副邊繞組Ns與電容Cc、C2串聯(lián)對C1進(jìn)行充電。此時(shí)負(fù)載Ro的能量由輸出電容Co提供。

(3)工作模態(tài)3：t2～t3

如圖3(c)所示，開關(guān)管Q 關(guān)斷，漏感Lk的能量通過二極管Dc被電容Cc所吸收，削弱了開關(guān)管關(guān)斷時(shí)漏、源極間的電壓震蕩。在t=t3時(shí)刻，勵(lì)磁電感電流iLm上升至與漏感電流iLk相等時(shí)，流過二極管D1的電流自然到零，該模態(tài)結(jié)束。

(4)工作模態(tài)4：t3～t4

如圖3(d)所示，勵(lì)磁電感電流iLm與漏感電流iLk線性下降。與此同時(shí)，直流電壓源Ui、電容C1、耦合電感的原邊繞組Np和副邊繞組Ns串聯(lián)向負(fù)載Ro與輸出電容Co提供能量。

(5)工作模態(tài)5：t4～t5

如圖3(e)所示，在t=t4時(shí)刻，漏感Lk的能量釋放完畢，漏感電流iLk變?yōu)榱恪Ｖ绷麟妷涸碪i、電容C1及耦合電感副邊繞組Ns串聯(lián)向負(fù)載Ro與輸出電容提供能量。在t=t5時(shí)刻，開關(guān)管Q 重新導(dǎo)通，下一個(gè)開關(guān)周期開始。

圖3 各個(gè)模態(tài)的等效電路

2 變壓器穩(wěn)態(tài)性能分析

2.1 電壓增益

為簡化分析過程，不考慮由漏感所造成的模態(tài)1 和3 這兩個(gè)短暫的開關(guān)模態(tài)，僅對模態(tài)2、4、5 這三個(gè)模態(tài)進(jìn)行分析。

當(dāng)開關(guān)管Q 開通時(shí)，有以下方程成立：

開關(guān)管Q 處于關(guān)斷狀態(tài)，可得如下方程：

在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，根據(jù)勵(lì)磁電感Lm的伏秒平衡可得到各個(gè)電容兩端電壓以及變換器電壓增益M的表達(dá)式為：

2.2 電壓應(yīng)力

根據(jù)各個(gè)開關(guān)模態(tài)的等效電路圖，得到開關(guān)管Q 和二極管D0、D1、D2、Dc的電壓應(yīng)力表達(dá)式如下：

2.3 電流應(yīng)力

利用電容在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)流過的平均電流為零的特點(diǎn)，可以計(jì)算出功率器件承受的電流應(yīng)力如下：

3 所提變換器的對比分析

表1 為不同變換器之間的性能對比，從表中公式可以看出，在匝比一定時(shí)，本文提出的變換器能夠以較低的占空比實(shí)現(xiàn)相同甚至更高的電壓增益，有利于變換器在適當(dāng)?shù)恼伎毡认鹿ぷ?，且此時(shí)功率器件的電壓應(yīng)力更小，便于選擇傳導(dǎo)損耗較低的開關(guān)管而反向恢復(fù)速度快的二極管。

表1 變換器性能對比分析

4 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證理論分析的正確性以及所提變換器的可行性，搭建了一臺(tái)500 W 的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：輸入電壓Ui=40 V，輸出電壓Uo=380 V，額定功率Po=500 W，開關(guān)頻率fs=50 kHz，勵(lì)磁電感Lm=75 μH，漏感Lk=3.1 μH，匝比N=Ns∶Np=28∶15。圖4(a)～(d)為所提變換器在輸出電阻負(fù)載Ro=500 Ω 時(shí)測得的實(shí)驗(yàn)波形。

圖4(a)給出了變換器的驅(qū)動(dòng)波形以及輸入電感電流、漏感電流波形圖。顯然，變換器在占空比D為0.58 時(shí)，輸出電壓達(dá)到了380 V，與式(9)的電壓增益理論值基本一致；圖4(b)～(c)為變換器開關(guān)管和二極管端的電壓、電流波形。開關(guān)管Q 與二極管D1的電壓應(yīng)力基本相等，約為96 V，符合式(11)的理論推導(dǎo)；圖4(d)為輸入電壓、輸出電壓以及電容兩端電壓波形。電容Cc、C1、C2兩端承受的電壓應(yīng)力依次為：52、231 和100 V，其實(shí)際值與式(6)～式(7)的理論值保持一致。

圖4 變換器實(shí)驗(yàn)波形及實(shí)物圖片

圖4(e)為變換器在不同輸入電壓值時(shí)的效率測量曲線?？梢钥闯?，輸出功率線性增加時(shí)，變換器的效率呈現(xiàn)出先上升后降低的趨勢。在Ui=50 V，Po=300 W 時(shí)，最大效率達(dá)到了94.5%；Ui=50 V，Po=500 W 時(shí)，效率為92.56%。測量結(jié)果表明所提變換器可以實(shí)現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換。圖4(f)為在實(shí)驗(yàn)室制作的樣機(jī)原型。

5 結(jié)論

本文提出了一種新型的單相、單開關(guān)高增益DC/DC 變換器。所提變換器與其他文獻(xiàn)提出的變換器相比具有更高的電壓增益以及更低的開關(guān)管電壓應(yīng)力，并且由于無源箝位電路的存在，使得漏感能量得到了合理利用，最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明了所提變換器性能的優(yōu)越性。針對上述優(yōu)點(diǎn)，所提變換器非常適用于新能源發(fā)電系統(tǒng)。