一種雙極性輸出的高增益變換器

摘" 要： 隨著分布式能源高滲透率接入電網，雙極性直流微電網固有優勢愈發突出。針對光伏電池投入到雙極性直流微電網運行時，對于高增益雙極性變換器的需求，提出一種組合式且可提供雙極性輸出的高增益變換器。在傳統Sepic變換器的基礎上加入一個二極管和電容，通過開關管控制電容、電感能量的交替傳遞，從而提升變壓器增益；其次，基于元件復用的方法將開關電容單元和Boost電路進行組合，實現正負極電壓均衡的雙極性輸出。此外，詳細闡述了所提變換器的工作原理，開關器件的電流和電壓應力、電路參數設計。為驗證所提拓撲結構的可行性，搭建了一臺24 V/336 V（[±]168 V）、112 W的實驗樣機，實測變換器增益可達14倍。實驗結果表明，所提變換器具有增益高、器件電壓應力低、輸入電流連續的特點。

關鍵詞： 高增益變換器； 雙極性輸出； 低電壓應力； 開關電容； 電壓增益； 拓撲結構

中圖分類號： TN624?34； TM46" " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）22?0107?06

A high gain converter with bipolar outputs

Abstract： With the high penetration of distributed energy sources into the power grid， the inherent advantages of bipolar DC microgrids are becoming more and more prominent. In allusion to the demand for high?gain bipolar converters when photovoltaic cells are put into the operation of bipolar DC microgrids， a combined and high?gain converter that can provide bipolar output is proposed. On the basis of the traditional Sepic converter， the diode and capacitor are added to control the alternating transfer of energy between the capacitor and inductor by switching tubes， thereby improving the transformer gain. The switched?capacitor unit and Boost circuit are combined based on the method of component multiplexing to realize the bipolar output with balanced voltage at positive and negative poles. The operating principle of the proposed converter， the current and voltage stresses of the switching devices and the design of the circuit parameters are specified. In order to verify the feasibility of the proposed topology， a 24 V/336 V （[±]168 V）， 112 W experimental prototype is built and the measured converter gain is up to 14 times. The experimental results show that the proposed converter has the characteristics of high gain， low device voltage stress， and continuous input current.

Keywords： high gain converter; bipolar output; low voltage stress; switching capacitor; voltage gain; topological structure

0" 引" 言

社會經濟快速發展所導致的能源危機與日益嚴峻的環境問題讓世界能源結構體系處于巨大變革中，清潔環保、可循環利用的分布式能源備受關注[1]。而隨著分布式能源高滲透率接入電網，雙極性直流微電網憑借可提供更多電壓等級接口、靈活性強、高可靠性和安全性，以及無需考慮相位同步問題的優勢，得到了廣泛的關注[2?3]。其中光伏電池是一種受地域限制小、運維簡單、壽命長的新型能源，但其輸出電壓較低，無法匹配雙極性直流微電網的電壓等級[4]，需通過高增益變換器升壓至并網電壓。

利用級聯技術可以提高電壓增益，但無法解決后級電壓應力問題。通過耦合電感[5?6]調節匝比，可以實現高增益并降低電壓應力，但需引入額外的吸收電路來解決漏感導致的開關管電壓尖峰問題。由開關器件、電容、電感組合而成的開關單元[7?8]通過并聯充電、串聯放電的方法來提高電壓增益，但其輸出電壓為單極性。若通過分壓電容實現雙極性輸出，受不平衡負載的影響，中性線電壓存在偏差、電能質量差的問題，會損壞用電設備。而采用電壓平衡器[3]需要監控線電壓，實時調整其自身模式，控制方法復雜。文獻[9?10]將電壓增益一致、極性相反的拓撲結構進行組合，在實現電能變換的同時也可以均衡電壓輸出，但其增益較低。本文提出一種雙極性輸出的高增益變換器，在傳統Sepic電路基礎上增加了一個電容和二極管，得到改進型的Sepic電路；再將開關電容與Boost電路進行并聯組合，利用電容的鉗位作用實現雙極性輸出，為上述問題提供一個解決方案。另外，對所提變換器進行了理論分析，與同類型變換器進行對比，還搭建了一臺實驗樣機來驗證其性能。

1" 拓撲結構與工作原理

1.1" 拓撲結構

所提出的雙極性輸出的高增益變換器拓撲結構如圖1所示。在傳統Sepic變換器的基礎上加入一個電容Cb2和一個二極管D1，通過開關管控制電容、電感能量的交替傳遞來提升變壓器增益。基于元件復用的方法，將開關電容單元和Boost電路進行組合，進一步提升變換器增益的同時，實現正負極電壓均衡的雙極性輸出。光伏電池由直流電壓源（Vin）表示，雙極性輸出分別由Rp、Rn表示，開關管S1、S2交替導通，所提變換器由3個電感（L1～L3）、6個電容（Cb1、Cb2、C1、C2為儲能電容，Cp、Cn為輸出電容）、5個二極管（D1～D5）組成。

1.2" 工作模態

基于以下假設，對所提變換器進行具體分析。

1） 所有器件均為理想器件，忽略器件的寄生參數。

2） 電感值、電容值足夠大，電感電流紋波以及電容電壓紋波足夠小，可以忽略不計，即可認為通過電感的電流、電容的端電壓為常數。

3） 變換器工作在電流連續導通模式。

所提變換器在一個開關周期內，器件的關鍵波形如圖2所示。根據開關器件導通的情況，所提變換器有2種工作模式，各模態下的等效電路如圖3所示。

1） 模態1（t0～t1）：當開關管S1導通，開關管S2截止時，二極管D1、D2、D5關斷，二極管D3、D4導通。Vin通過開關管S1給電感L1充電，流過電感L1的電流逐漸增大。電容Cb2放電，流過電感L2的電流增大，能量儲存到電容Cb2中；電容C1和電感L3分別通過二極管D4、D3，同時給電容C2、Cn充電，流過電感L3的電流減小。輸出電容Cn與電容C1、C2并聯，輸出電容Cn上的電壓被鉗位在[VC1+VC2]。

由圖3a）可得：

2） 模態2（t1～t2）：當開關管S2導通，開關管S1截止時，二極管D1、D2、D5導通，二極管D3、D4關斷。直流電源Vin、電感L1經過二極管D1給電容Cb2充電，流過電感L1的電流逐漸下降。電感L2與電容Cb1通過二極管D1并聯，電感電壓為負值，流過電感L2的電流逐漸下降。電容C1處于充電狀態。電感L3與電容C1通過開關管S2并聯，電感電壓為正值，流過電感L3的電流逐漸增大。電容C2處于放電狀態。輸出電容Cp與電容C1、C2并聯，輸出電容Cp上的電壓被鉗位在[VC1+VC2]。當開關管S2關斷時，變換器再次工作在模態1中，依次循環。由此可得：

實現雙極性電壓均衡輸出的基本原理是：通過二極管的導通，將電容C1、C2在一個開關周期內分別與輸出電容Cp、Cn并聯，將電壓鉗位在同一電壓。

2" 變換器的性能分析

2.1" 電壓增益

根據變換器模態的等效電路以及電感的伏秒平衡原則，各電壓與輸入電壓及占空比的關系如下所示：

由式（3）可推導出所提變換器在穩態工作點下的電壓增益為：

2.2" 器件電壓電流應力

根據模態分析以及電容電壓的關系式（3），可得知開關管S1、S2以及二極管D1～D5的電壓應力分別為：

忽略變換器寄生參數的影響，不計及變換器的傳輸損耗，根據傳輸功率的關系可得電感的平均電流為：

式中Io表示輸出電流，Io=[Po（Vp+Vn）]。

根據在一個開關周期內流過電容的平均電流為0的原則，可得二極管D1～D5的電流應力如下：

式中：Ip、In分別表示正、負極的負載電流，[Ip=VpRp]，[In=VnRn]。同樣可得開關管S1、S2的電流應力為：

2.3" 對比分析

本文將所提變換器與其他5種變換器進行了比較，具體性能參數見表1。不同變換器的電壓增益對比曲線見圖4。由圖4可見，本文變換器電壓增益在全占空比范圍內始終高于其他變換器。根據表1的統計，在相同工況下，本文所提變換器的開關管電壓應力最低。文獻[11?12]變換器相較于SL?Boost變換器電壓增益有所增加，但輸出電壓均為單極性，若通過分壓電容實現雙極性輸出，不平衡負載情況下導致的電壓偏差無法解決。文獻[13?14]將兩個基本變換器拓撲進行組合優化，使其具備雙極性輸出能力，輸出獨立，受負載情況影響小，但器件應力未得到改善，增益低。綜上所述，本文變換器具備雙極性輸出、電壓增益高、電壓應力低的優勢。

3" 變換器參數設計

3.1" 電感設計

電感的設計主要考慮電感電流紋波，對于輸入電感L1，電流紋波以20%作為設計標準，電感值越大，伴隨的等效串聯電阻越大。考慮到減小損耗，電感L2、L3的值以接近臨界狀態作為設計標準，各電感值計算公式為：

式中α表示電感電流的紋波系數。

3.2" 電容設計

在變換器工況確定的情況下，電容的設計主要考慮電容電壓的紋波。將輸出電容Cp、Cn電壓紋波和串聯電容Cb1、Cb2、C1、C2分別等于電容電壓1%、10%作為設計標準，各電容值計算公式如下：

式中[β]表示電容電壓的紋波系數。

4" 實驗驗證

基于上述理論分析與參數設計，搭建了一臺24 V/336 V（[±]168 V）、112 W的實驗樣機，以驗證所提拓撲結構的可行性。具體參數及器件選擇參考表2。

圖5所示為在額定工況下工作時，所提變換器的主要電壓、電流波形。如圖5a）所示，輸入電壓Vin為24 V，占空比D為0.635時，正、負極輸出電壓基本相等，為168 V，電壓增益達到14倍；如圖5b）所示，開關管S1、S2互補導通，所承受電壓應力分別為68 V、108 V，均小于輸出電壓的[12]；如圖5c）和圖5d）所示，二極管D1～D5截止時所承受的電壓應力分別為68 V、68 V、168 V、168 V、168 V，分別為輸出電壓的[15]、[15]、[12]、[12]、[12]；如圖5e）所示，電容Cb1、Cb2、C1、C2電壓應力分別為42.2 V、65.35 V、113.03 V、56.21 V；如圖5f）所示，流過電感L1、L2、L3的電流分別為4.7 A、1 A、1 A，均與理論分析相一致。

5" 結" 論

本文基于基本變換器拓撲，利用器件復用的方法提出一種雙極性輸出的高增益變換器。該變換器具備高增益、可避免在極限占空比下工作、雙極性輸出、輸入電流連續的優勢，能夠滿足光伏并入雙極性直流微電網工作的需求。

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