改進(jìn)型高增益耦合電感Boost-Sepic變換器

摘 要：

針對(duì)光伏電池輸出電壓等級(jí)低、穩(wěn)定性差的問(wèn)題，本文將Boost-Sepic變換器進(jìn)行改進(jìn)，并加入耦合電感與開(kāi)關(guān)電容兩種增益單元，提出一種高增益耦合電感組合Boost-Sepic變換器。首先將組合后的Boost-Sepic變換器中輸入電感替換為耦合電感原邊，保證輸入側(cè)電流連續(xù)并鉗位開(kāi)關(guān)管電壓；同時(shí)將耦合電感倍壓?jiǎn)卧c開(kāi)關(guān)電容進(jìn)行串聯(lián)以提高電壓增益。采用無(wú)源鉗位吸收回路回收耦合電感漏感的能量，抑制開(kāi)關(guān)管兩端產(chǎn)生的電壓尖峰。詳細(xì)分析了Boost-Sepic變換器的工作模態(tài)、電壓增益、開(kāi)關(guān)器件電壓/電流應(yīng)力及器件參數(shù)的選擇，并與其他高增益變換器對(duì)比。最后，通過(guò)200 W實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了變換器的可行性與正確性。

關(guān)鍵詞：高增益；低應(yīng)力；耦合電感；開(kāi)關(guān)電容；無(wú)源鉗位；Boost-Sepic變換器

DOI：10.15938/j.emc.2024.08.013

中圖分類號(hào)：TM46

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2024）08-0124-11

Improved high-gain coupled inductor Boost-Sepic converter

FANG Xupeng， GUO Hongzhen， LIU Kun， XING Bin

（College of Electrical Engineering and Automation， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China）

Abstract：

Aiming at the problem of low output voltage level and poor stability of photovoltaic， a high-gain coupled inductor combination Boost-Sepic converter was presented by improving the Boost-Sepic converter and adding two gain units of coupling inductor and switched capacitor. First， the input inductor in the combined Boost-Sepic converter was replaced with a coupled inductor primary side to ensure continuous input side current and clamp the power switch voltage; meanwhile， the coupled inductor multiplier unit was connected in series with the switching capacitor to improve the voltage gain. In the converter， a passive clamp absorption loop was used to recycle the energy of the leakage inductance of the coupled inductor， suppresses voltage spikes generated on the power switch. The new Boost-Sepic converter was analyzed in detail， including the selection of operating modes， voltage gain， switching device voltage and current stress， and device parameters， and compared with other high-gain converters. Finally， the feasibility and correctness of the converter was verified by a 200 W experimental prototype.

Keywords：high gain; low stress; coupled inductor; switched capacitor; passive clamp; Boost-Sepic converter

0 引 言

近幾年，隨著能源需求激增、化石能源枯竭、環(huán)境污染加劇，光伏電池等可再生能源越來(lái)越受到關(guān)注并迅速發(fā)展［1-2］，但光伏電池是低壓直流電源，需要經(jīng)一級(jí)DC-DC升壓變換器將電壓提升至直流母線電壓級(jí)，然后通過(guò)DC-DC變換器或DC-AC逆變器送至直流電網(wǎng)或交流電網(wǎng)。因此，研究高效率、高增益、低電壓應(yīng)力且性能穩(wěn)定的升壓變換器已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)［3-4］。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的DC-DC升壓變換器采用的倍壓技術(shù)主要有以下幾類：倍壓結(jié)構(gòu)、磁耦合結(jié)構(gòu)、多級(jí)倍壓結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［5-6］利用二極管-電容或二極管-電感構(gòu)成開(kāi)關(guān)電容/電感在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中進(jìn)行串聯(lián)，提高變換器的電壓增益。但隨著增益變大，不僅器件數(shù)量增加，成本提高，而且會(huì)產(chǎn)生大的電流峰值，增大了功率開(kāi)關(guān)器件的損耗。文獻(xiàn)［7-8］介紹了帶耦合電感的變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該變換器的電壓增益不僅與開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通占空比有關(guān)，還和耦合電感原、副邊匝數(shù)比有關(guān)。由于漏感存在會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰，存在能量損耗等問(wèn)題，需要引入緩沖電路對(duì)其進(jìn)行抑制。文獻(xiàn)［9-10］在變換器中增添有源或無(wú)源鉗位緩沖電路，如在開(kāi)關(guān)管兩端并聯(lián)二極管-電容或開(kāi)關(guān)管-電容，有源鉗位結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管的零電流開(kāi)通，進(jìn)一步減小了變換器損耗。文獻(xiàn)［11-12］將變換器的輸入電感替換為耦合電感，并采用磁集成技術(shù)，縮減了電感元件的體積和質(zhì)量，提高了變換器的效率，改善了其性能。同時(shí)，與倍壓電容-二極管相結(jié)合，得到自舉倍壓結(jié)構(gòu)，升壓能力較大。自舉倍壓結(jié)構(gòu)還可多次疊加，使變換器滿足多種工作場(chǎng)合需求。文獻(xiàn)［13-15］將耦合電感與開(kāi)關(guān)電容結(jié)合，開(kāi)關(guān)電容既是倍壓?jiǎn)卧挚梢曰厥振詈想姼兄新└心芰浚谔岣唠妷涸鲆娴耐瑫r(shí)避免了電壓尖峰問(wèn)題。文獻(xiàn)［16-17］提出了一系列拓?fù)浣M合變換器，將Boost變換器與Sepic變換器或Zeta變換器進(jìn)行組合，得到新型高增益拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保證了具有處理較寬范圍的輸入電壓、較好的負(fù)載調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，但在追求高頻化、集成化的直流升壓發(fā)展階段，傳統(tǒng)Boost-Sepic變換器在升壓及器件應(yīng)力方面無(wú)法滿足現(xiàn)代工藝需求，電感元件體積較大，不易集成化，而且轉(zhuǎn)化效率較低。

基于以上分析，本文提出一種改進(jìn)型基于Boost-Sepic變換器的高升壓比DC-DC變換器。該變換器采用磁耦合倍壓結(jié)構(gòu)與開(kāi)關(guān)電容相結(jié)合應(yīng)用于拓?fù)浣M合變換器，一方面減少電感的使用，節(jié)約成本，減少體積，另一方面有較大的電壓增益，而且可以回收耦合電感中漏感儲(chǔ)存的能量，同時(shí)鉗位開(kāi)關(guān)管電壓。

1 變換器的工作原理

1.1 高增益耦合電感Boost-Sepic變換器

首先利用Boost變換器和Sepic變換器具有相同的輸入模塊，將這兩個(gè)變換器組合，構(gòu)成基本的Boost-Sepic變換器，既保證輸入電流的連續(xù)，又減少器件數(shù)目，降低成本。為了提升Boost-Sepic變換器的電壓增益，將輸入電感替換為耦合電感，并將耦合電感副邊與電容-二極管組成耦合電感倍壓?jiǎn)卧瑫r(shí)與開(kāi)關(guān)電容串聯(lián)；電容和二極管作為無(wú)源電壓鉗位電路，用于回收耦合電感中漏感儲(chǔ)存的能量，同時(shí)降低開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力，減少開(kāi)關(guān)管的損耗。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 變換器的等效電路

為了方便分析變換器的各個(gè)模態(tài)中電流的流向，圖2給出了本文所提出變換器的等效電路，其中Np、Ns分別是耦合電感的原、副邊匝數(shù)，匝數(shù)比為N=Ns/Np。

1.3 變換器的工作原理

為了簡(jiǎn)化所提出變換器的工作原理分析，考慮了以下假設(shè)：

1）所選擇器件均為理想器件，但要考慮漏感。漏感只在連續(xù)導(dǎo)通模態(tài)分析中考慮；

2）所選擇的電容量足夠大，紋波電壓忽略不計(jì)。

所提變換器的工作可分為連續(xù)導(dǎo)通模式和斷續(xù)工作模式。當(dāng)變換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式時(shí)，工作過(guò)程包括5種工作模態(tài)。變換器在不同時(shí)間間隔內(nèi)的電流流動(dòng)路徑如圖3所示，器件的一些電壓電流波形如圖4所示。

1）開(kāi)關(guān)模態(tài)Ⅰ［t0～t1］：在此模態(tài)下，開(kāi)關(guān)管S和二極管D2、D4導(dǎo)通，二極管D1、D3、D5截止。勵(lì)磁電感Lm和漏感Lk充電儲(chǔ)能，流過(guò)的電流線性增加；耦合電感副邊Ns和電容C1通過(guò)二極管D2由電容C2充電儲(chǔ)能，電容C3通過(guò)二極管D4由電容C4充電儲(chǔ)能；同樣，輸出電容C0將儲(chǔ)存的能量傳輸給負(fù)載。

2）開(kāi)關(guān)模態(tài)Ⅱ［t1～t2］：在此模態(tài)下，二極管D1、D2、D4導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管S和二極管D3、D5截止。電容C2通過(guò)二極管D1吸收漏感Lk儲(chǔ)存的能量，鉗位開(kāi)關(guān)管S上的電壓，電流iLk開(kāi)始減小；流過(guò)耦合電感副邊Ns的電流減小，至t2時(shí)刻電流減到0，二極管D2關(guān)斷。

3）開(kāi)關(guān)模態(tài)Ⅲ［t2～t3］：在此模態(tài)下，二極管D1、D3、D5導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管S和二極管D2、D4截止。電容C2繼續(xù)吸收漏感Lk儲(chǔ)存的能量并鉗位開(kāi)關(guān)管S上的兩端電壓，電流iLk繼續(xù)減小；電容C1通過(guò)二極管D3將其儲(chǔ)存的能量釋放到電容C4，同時(shí)與電容C3通過(guò)二極管D5向輸出電容C0和負(fù)載充電儲(chǔ)能。

4）開(kāi)關(guān)模態(tài)Ⅳ［t3～t4］：在此模態(tài)下，二極管D3、D5導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管S和二極管D1、D2、D4截止。電容C2不再吸收漏感Lk能量；輸入電壓Vin為整個(gè)電路釋放能量，使耦合電感電流保持基本不變。

5）開(kāi)關(guān)模態(tài)Ⅴ［t4～t5］：在此模態(tài)下，開(kāi)關(guān)管S和二極管D3、D5導(dǎo)通，二極管D1、D2、D4關(guān)斷。勵(lì)磁電感Lm和漏感Lk充電儲(chǔ)能重新開(kāi)始由輸入電壓Vin充電儲(chǔ)能，電流iLk迅速增大；耦合電感副邊Ns和電容C1繼續(xù)通過(guò)二極管D3放電釋能，耦合電感副邊Ns的電流減小，至t5時(shí)刻電流減到0，二極管D3關(guān)斷。

結(jié)合上述分析，將額定功率下變換器各穩(wěn)態(tài)參數(shù)代入，可求出變換器的理論損耗值，變換器各部分損耗占比如圖16所示，變換器功率總損耗為8.56 W，效率為95.90%。而變換器在額定功率下效率理論值均高于實(shí)測(cè)值，主要由理想性假設(shè)、硬件限制和測(cè)量誤差等多種因素造成的。在實(shí)際應(yīng)用中，可以改進(jìn)硬件設(shè)計(jì)和提高測(cè)量準(zhǔn)確性等來(lái)提高變換器的實(shí)際效率。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)Boost-Sepic變換器進(jìn)行拓?fù)涓倪M(jìn)，得到了改進(jìn)型高增益耦合電感Boost-Sepic變換器，通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證得到變換器具有以下特點(diǎn)：

1）變換器使用耦合電感與開(kāi)關(guān)電容組合來(lái)提高電壓增益，所以在不需要極大占空比的情況下，也可以獲得高電壓增益。

2）開(kāi)關(guān)管的電壓遠(yuǎn)小于輸出電壓，可以選擇電壓定額更低的功率器件。

3）變換器利用無(wú)源鉗位電路來(lái)吸收耦合電感中漏感的能量，抑制了開(kāi)關(guān)管兩端產(chǎn)生的電壓尖峰，減少了導(dǎo)通損耗，提高了工作效率，同時(shí)還具有輸入電流連續(xù)的特點(diǎn)。

基于以上特點(diǎn)，該變換器在光伏發(fā)電領(lǐng)域具有較好的發(fā)展前景。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：劉素菊）

收稿日期： 2023-12-05

基金項(xiàng)目：山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2019GGX103049）

作者簡(jiǎn)介：房緒鵬（1971—），男，博士，教授，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代電力電子技術(shù)及其在電氣傳動(dòng)、新興能源利用方面的應(yīng)用等；

郭紅震（1999—），男，碩士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)及應(yīng)用；

劉 坤（1997—），男，碩士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)及應(yīng)用；

邢 斌（1997—），男，碩士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)及應(yīng)用。

通信作者：郭紅震