一種新型耦合電感準Z 源高增益DC/DC 變換器?

房緒鵬，題曉東，綦中明，林 強

(山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590)

隨著人類社會的穩(wěn)步發(fā)展，煤和石油等化石能源的不斷消耗，人類對生態(tài)和能源的關注也越來越密切，新能源發(fā)電技術依然是當今學者研究的主題。在光伏、風能、潮汐能、波浪能等新能源發(fā)電系統(tǒng)中，高增益的DC/DC 變換器依然起著不可磨滅的作用[1]。因拓撲結(jié)構(gòu)的限制，傳統(tǒng)的DC/DC 變換器一般通過調(diào)節(jié)開關占空比來控制輸出電壓的大小[2]。因此，想要實現(xiàn)較高的輸出電壓需要較大的占空比，但是占空比過大會導致開關管長時間處于導通狀態(tài)，其電壓應力升高，產(chǎn)生比較大的開關損耗以及發(fā)熱問題。為此，國內(nèi)外諸多學者研究出了多種拓撲結(jié)構(gòu)來有效提高變換器的電壓增益[3]:(1)文獻[4－6]采用的多級變換器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是通過幾個相同的升壓拓撲串聯(lián)或交錯并聯(lián)來提高變換器的增益。不足之處是，使用更多的器件，降低了效率，控制方法更加復雜；(2)文獻[7]和[8]分別提出的開關電容和開關電感技術，可將多個開關電容或開關電感結(jié)構(gòu)并聯(lián)組合在一起，可以使儲存的能量成倍增加，用以提高電壓增益[3]，但電容充放電的動態(tài)過程會帶來較大的電流尖峰，引起較大的開關損耗；而且電路使用的元器件較多，使得變換器體積增大，成本增高；(3)文獻[9－12]采用的耦合電感技術，變換器的電壓增益控制維度增加到二維，使變換器電壓增益不只依賴于占空比，還可以通過調(diào)節(jié)耦合電感的變比來提高輸出電壓[9]；無源箝位技術的引入，可吸收漏感，減小了因耦合電感引起的開關管電壓尖峰，不用再為漏感問題重新設計吸收回路，簡化了電路拓撲結(jié)構(gòu)，節(jié)省了變換器造價，提升了能量的傳輸效率[11]。

準Z 源DC/DC 變換器具有輸入電流連續(xù)，電容電壓應力小，輸入輸出共地的特點[12]，本文利用準Z 源網(wǎng)絡的優(yōu)點配合耦合電感，研究出一種基于耦合電感的高增益準Z 源DC/DC 變換器。在耦合電感的初級繞組配合準Z 源網(wǎng)絡的二極管和電容形成吸收回路，可以對漏感能量進行回收利用，削減了開關器件電壓應力及電壓尖峰，提升了變換器效率；次級引入電容倍壓單元，可以對功率回路中的電容進行充電儲能，以實現(xiàn)電壓增益的提高。最后在實驗室搭建了一臺輸入/輸出電壓為24 V/120 V 的樣機，驗證了理論分析的正確性。

1 電路拓撲及工作原理

1.1 拓撲結(jié)構(gòu)

新型耦合電感準Z 源DC/DC 變換器拓撲結(jié)構(gòu)是以一個準Z 源網(wǎng)絡為基本框架。將準Z 源網(wǎng)絡的電感替換為耦合電感的初級繞組，連接準Z 源網(wǎng)絡的濾波電感替換為耦合電感的次級繞組，連接倍壓單元。圖1 為拓撲結(jié)構(gòu)圖，其中次級繞組和二極管VD2以及儲能電容C3形成倍壓單元。為了方便分析，耦合電感由一個勵磁電感Lm、一個理想變壓器及一個漏感Lk的并聯(lián)結(jié)構(gòu)等效替換[12]；等效電路如圖2 所示。其中，匝數(shù)比n＝Np∶Ns。

圖1 所提出變換器的拓撲結(jié)構(gòu)

圖2 變換器等效結(jié)構(gòu)

為方便分析變換器工作原理，可假設電路中的所有電感足夠大，以確保電感電流在連續(xù)導通狀態(tài)下工作；電容足夠大，使其在穩(wěn)定狀態(tài)下保持電壓不變；電路中的開關管、二極管均為沒有開關損耗且導通和關斷時間為零的理想器件[13]。

1.2 工作原理

在一個開關周期Ts內(nèi)，該變換器有如下四種工作模態(tài)[14]。圖3 為變換器的主要元器件的波形圖。圖4 為該變換器模態(tài)1 至模態(tài)4 的等效模型圖。ugS為開關管S 驅(qū)動信號，iL1，iLm，iLk為流過L1，Lm，Lk的電流；is為流過開關管S 的電流；uVD1，uVD2，uVD3為二極管VD1，VD2，VD3的電壓，iVD1，iVD2，iVD3為二極管VD1，VD2，VD3的電流。

圖3 變換器主要工作波形

圖4 變換器各模態(tài)等效模型圖

模態(tài)1[t0～t1] 在t0時刻，S 導通，VD1，VD3導通，VD2關斷，輸入電源Uin經(jīng)過VD1和S 給輸入電感L1及耦合電感的初級繞組充電，電感電流iL1，iLm近似線性上升。C1，VD1，Lm，Lk組成閉合回路，Lm，Lk給C1充電儲能。Lm在C2的作用下也線性儲能，漏感Lk抑制了Ns電流的變化速率，緩解了VD3的反向恢復問題，儲能電容C3為負載提供能量。

模態(tài)2[t1～t2] S 繼續(xù)導通，VD2導通，VD1，VD3關斷。Uin和C1繼續(xù)向輸入電感L1充電，流過電感L1兩端的電流仍然呈增大趨勢；C2繼續(xù)給Lm，Lk充電儲能；同時C2經(jīng)過VD2給C3充電儲能。在t＝t2時刻，該模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)3[t2～t3] S 關斷，VD2導通，VD1，VD3關斷。Uin，L1，C1向C2充電儲能；同時Lm中存儲的能量向C3轉(zhuǎn)移；電感電流iL1，iLm呈下降趨勢。

模態(tài)4[t3～t4] S 繼續(xù)關斷，VD1，VD3導通，VD2關斷。Uin與L1繼續(xù)向C2充電儲能；C3由Lk提供能量；Uin，L1，Lm及Ns和C3共同把能量提供給負載，從而提高了輸出電壓Uo，電感電流iL1，iLm下降至大于零的某一值，t＝t4時刻，此模態(tài)結(jié)束。

2 變換器的穩(wěn)態(tài)特性分析

2.1 變換器增益特性分析

為簡化分析，同時不考慮漏感的存在。選取了模態(tài)2 及模態(tài)4 進行電壓關系推導。

由模態(tài)2 等效電路可得:

由模態(tài)4 等效電路可得:

在一個開關周期Ts內(nèi)，開關管S的導通時間為DTs，關斷時間為(1－D)Ts[14]。根據(jù)電感L1，Np，Ns伏秒平衡原理[14]，對式(1)～式(8)整理可得:

聯(lián)立式(9)～式(11)可得:

因此，該變換器的電壓增益可表示為:

圖5 為電壓增益G與匝數(shù)比n以及占空比D的關系。看出通過合理地選擇n與D能夠獲得較高的電壓增益。圖6 為在不同匝數(shù)比時與準Z 源DC/DC 變換器的增益比較。可以看出所提變換器電壓調(diào)節(jié)范圍更寬，在高電壓增益方面的優(yōu)勢更大。

圖5 變換器電壓增益變化曲線

圖6 電壓增益曲線對比

2.2 開關管及二極管電壓應力分析

不考慮漏感的存在，根據(jù)以上兩種工作模態(tài)進行推導計算，可以得出開關管S 的電壓應力為:

二極管VD1，VD2，VD3的電壓應力分別為:

當Uin一定時，S 和VD1的電壓應力只受占空比D制約，而VD2和VD3受占空比D和匝數(shù)比n的共同影響。假設D＝0.3，圖7 為S，VD1，VD2，VD3兩端的電壓應力與n之間的關系曲線。從圖中可知匝數(shù)比越大，VD2和VD3電壓應力越小，但是又考慮到變換器需要較高電壓增益輸出，所以在設計實驗時匝數(shù)比不應太大，可以通過減小占空比D來減少元器件的電壓應力。

圖7 功率器件的電壓應力

3 仿真驗證

在MATLAB/SIMULINK 軟件中對該變換器進行建模并進行仿真驗證[15]，主拓撲元器件參數(shù)見表1。

表1 拓撲元器件參數(shù)

在D＝0.3 時的開環(huán)環(huán)境下，進行了仿真，仿真結(jié)果如圖8 所示。考慮到元器件的自身損耗，仿真結(jié)果與理論推導值基本吻合，同時也證實了該拓撲具有電容電壓應力小，輸出電壓高的優(yōu)勢。

圖8 仿真波形

4 實驗驗證

為了驗證理論推導以及仿真實驗的正確性，根據(jù)圖1 的拓撲結(jié)構(gòu)制作了一臺200 W 的樣機。應用型號為TMS320F2812 的開發(fā)板作為核心控制器件產(chǎn)生PWM 控制信號，全控開關型號選用H25R1202，驅(qū)動板型號為TX－DA962D，實驗元件參數(shù)同仿真參數(shù)詳見表1，各元器件的實驗波形如圖9所示。在圖9(a)中輸入電壓為24 V，輸出電壓115.5 V，與之前計算的120 V 的理論值非常接近；圖9(b)分別為C1，C2，C3的電壓波形，其電壓分別為17.2 V，41.1 V，40.8 V，與理論推導以及仿真結(jié)果基本吻合；圖9(c)為開關管S，VD1，VD2，VD3的電壓，S的電壓約為58 V，僅為U0/2；VD1、VD2的電壓大小相同，波形互補，也是58 V，小于U0，有助于選擇電壓應力低、通態(tài)損耗小的開關器件，降低了成本和體積；VD3電壓約為110 V。圖9(d)和9(e)分別為輸入電流和各二極管及開關管的電流波形，可知輸入電流是連續(xù)的。在考慮到器件損耗、線路內(nèi)阻、耦合電感漏感等不可避免因素影響下，各元器件的實驗電壓與理論推導電壓吻合較好，同時驗證了理論分析的合理性。

圖9 實驗波形

圖10 為通過實驗和仿真得到的效率對比曲線圖。從圖中可知，本文所提變換器效率是高于準Z源DC/DC 變換器的效率的，當負載的功率為200 W時，效率最高，大約為93.6%。

圖10 效率對比曲線圖

5 結(jié)論

本文提出了一種含耦合電感的具有高升壓、低電壓應力的變換器，詳細介紹了新型準Z 源DC/DC變換器在不同模態(tài)下的運行原理和工作特性，通過實驗驗證了在n＝1，D＝0.3 時的實驗波形，與理論計算大體相同。樣機測試結(jié)果表明:(1)耦合電感以小于等于1 的匝數(shù)比工作時，可以實現(xiàn)更高的電壓增益輸出，可應用在大升壓比的場合，避免了開關管因升壓而工作在最大占空比的狀態(tài)；(2)當耦合電感的n<1 時，有利于選擇磁芯尺寸小的電感元件，可減小漏感，降低成本；(3)漏感能量可以被重新吸收利用，開關器件的電壓尖峰得到顯著降低，電壓應力大大減小，提升了電路的工作效率；(4)輸入電流平穩(wěn)連續(xù)，電容電壓應力小，二極管電壓應力大大降低，使得變換器的能量傳輸效率和工作可靠性得到了很大的提升。綜上所述，所提出的變換器可應用于低壓可再生新能源發(fā)電領域。