朱藝鋒，白冰洋，吳黨建

(河南理工大學 電氣工程及自動化學院，河南 焦作 454000)

由于石油、煤和天然氣等化石燃料的過度使用以及環(huán)境污染的日益惡化，使得無污染、無噪聲且資源豐富的可再生能源開發(fā)備受人們關注[1-6]。然而，大多數新能源發(fā)電系統(tǒng)如光伏發(fā)電、風力發(fā)電、水力發(fā)電等在很大程度上受限于地域、環(huán)境和天氣情況，均存在供電不穩(wěn)定、間歇性且易受氣候變化的缺陷，因此通常采用新能源分布式[7]聯合發(fā)電系統(tǒng)來保證用戶的供電質量。

傳統(tǒng)的可再生能源分布式聯合發(fā)電系統(tǒng)中，每種新能源發(fā)電形式均需要一個獨立的DC-DC 變換器來實現電能變換。輸出端通過串聯或者并聯方式連接在直流母線上，給直流負載提供電能，導致電路復雜且成本較高。因此可以用一個多輸入直流變換器(Multi-input DC-DC Converter，MIC)代替多個單輸入DC-DC 變換器來簡化電路結構并降低系統(tǒng)成本[8-12]。MIC的提出很大程度上提升了發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與靈活性，實現了能源的協(xié)調供電。另外，新能源發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓較低，這就要求新能源發(fā)電設備與負載間的MIC具有較高的電壓增益[13-16]。

針對新能源發(fā)電系統(tǒng)對MIC 的輸出電壓穩(wěn)定、高電壓增益和易于控制的要求，本文提出了一種新型雙輸入直流變換器。該變換器可在兩個不同的輸入源情況下，根據負載要求在不同方式下工作。

1 拓撲及工作原理

圖1所示為雙輸入高增益直流變換器拓撲，U1、U2為兩個直流輸入源；Co是濾波電容；Uo是輸出負載電壓。電容C1、C2及二極管VD3～VD7和儲能電感L1、L2及開關管S3、S4構成雙輸入Boost型開關電路。

根據輸入開關組S1、S2狀態(tài)，多輸入直流變換器有3種工作模式，可進行靈活調節(jié)。

如圖2所示為變換器工作模式圖。工作方式I時輸入開關S1、S2同時導通共同為負載提供能量。工作方式II時輸入開關S1、S2只導通一個，變換器工作在容錯模式。若工作在方式III下則輸入開關S1、S2全部斷開，變換器處于關閉狀態(tài)。

工作方式I如圖2(a)所示，輸入開關S1、S2閉合，此時U1和U2共同為負載提供能量。根據MOS開關管的工作狀態(tài)，在一個周期內，變換器有2種工作模態(tài)。S3、S4的驅動信號相同即為同開同關，流過電容C1、C2的電流分別為iC1、iC2，以充電方向為正，流過電感L1、L2的電流分別為iL1、iL2。

開關模態(tài) 1 [t0～t1]如圖3(a)所示，開關S1、S2、S3、S4均導通。在此階段除了VD4外所有的二極管都截止，電感L1、L2充電，電容Co放電供給負載。

開關模態(tài) 2 [t1～t2]如圖3(b)所示，開關S1、S2繼續(xù)導通，S3、S4同時關斷,U1—L1—C1回路、U1—L1—L2—C2回路和U1—L1—L2—R共3個回路分別流過電流。在此模態(tài)下，除了VD1、VD2和VD4截止外所有二極管均導通，電感L1、L2釋放能量同時電容C1、C2充電。

工作方式 II ：如圖2(b)和圖2(c)所示，若其中一個輸入源發(fā)生故障或變換器需要根據負載調節(jié)時，則變換器在此方式下工作。以U1單獨供電為例，輸入開關S1導通，S2關斷，輸入源U2完全與主電路斷開，不在提供能量。與工作方式I的分析類似，具有相同的工作模態(tài)，只有輸入電壓發(fā)生變化。

開關模態(tài)1 [t0～t1]如圖4(a)所示，開關S1、S3和S4導通，S2關斷。在此階段除了VD2和VD4導通外所有的二極管都截止，電感L1、L2充電，電容Co放電。

開關模態(tài)2 [t1～t2]如圖4(b)所示，開關S1繼續(xù)導通，S2、S3、S4關斷。在此模態(tài)下，除了VD1和VD4截止外所有二極管均導通，電感釋放能量。

工作方式III：輸入開關S1、S2全部斷開，變換器處于關閉狀態(tài)，不輸出電能。

2 工作特性分析

2.1 穩(wěn)態(tài)電壓增益

為簡化電路分析，作以下假設：(1)所有功率開關和二極管均為理想器件；(2)L1=L2，且電感電流連續(xù)；(3)輸出電容Co足夠大，其上電壓紋波可忽略，電容C1=C2，Co遠大于C1、C2。

當處于工作模式I時，U1、U2串聯為負載提供能量。根據電路穩(wěn)態(tài)時的電感伏秒特性和電容的充放電平衡得

(1)

(2)

(3)

其中，D為開關S3、S4的占空比；Ton為變換器在模態(tài)1時S3、S4的導通時間，Ts為一個脈沖周期。

值得注意的是負載R的平均輸出電壓等于Co的平均輸出電壓，因此輸出電壓

(4)

工作方式 II與工作方式I相比只是輸入電壓發(fā)生變化，工作模態(tài)相同，當輸入源U1輸出電壓單獨工作時，得輸出電壓

(5)

則電壓增益

(6)

利用Origin數學軟件將式(6)在占空比D≤0.25時用圖5表示出來，當占空比D增大時電壓增益G也隨之增大，當占空比D為0.25時電壓增益G就能達到8。但由于儲能電感寄生電阻及功率開關管通態(tài)電阻的存在，輸出電壓不會無限增大。

2.2 電流紋波

變換器正常工作時電感L1、L2的峰-峰值紋波電流可由以下式計算，其中fs為開關頻率

(7)

(8)

2.3 電壓紋波

電容C1、C2、Co兩端的峰-峰值紋波電壓由以下計算式求得

(9)

(10)

(11)

(12)

當電容電壓紋波值ΔU小于電容平均電壓時，電路方可正常運行。如果ΔU超過正常值則會由于器件承受的電壓應力增大而發(fā)生擊穿危險，并且還增加了系統(tǒng)的損耗。由式(12)可知如果要增大變換器的輸出功率，可以增大電容或者提高開關頻率來使電容電壓紋波值穩(wěn)定在小于電容平均電壓的10%正常范圍內。

鑒于該直流變換器的性能，其主要應用于小功率新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)中，輸出功率等級一般為200～2 000 W。

3 仿真結果與分析

為了驗證提出的雙輸入升壓變換器理論分析的正確性，本文基于MATLAB/Simulink 搭建了仿真模型。仿真參數為：輸入電壓U1=40 V，U2=40 V；開關頻率fs=20 kHz；升壓電感L1=L2=360 μH；占空比D=0.5；電容C1=C2=2.2 μF，Co=220 μF。

圖6給出了雙輸入直流變換器的仿真波形，其中圖6(a)給出了直流變換器在工作方式I的電壓輸出波形，輸出電壓為500 V。圖6(b)和圖6(c)給出了變換器在在工作方式I時電容C1、C2兩端電壓波形圖。圖6(d)和圖6(e)給出了流過兩電感的電流，流過電感L1的最大電流為7.2 A，流過L2的最大電流為9.3 A。電容上的電壓波動較大使得流過電感電流波動也大。圖6(f)為直流變換器在工作方式II只有U1供電時的輸出電壓波形，由于工作電壓為工作方式I的一半，所以輸出電壓幅值也減少一半為250 V，但是兩者電壓增益相同。

4 結束語

本文提出了一種雙輸入高增益直流變換器拓撲，并分析了工作原理和工作特性，計算了在不同工作模式下的穩(wěn)態(tài)電壓增益和電壓、電流紋波。文中通過搭建MATLAB/Simulink仿真模型證實了電路拓撲的正確性和可行性。仿真結果表明，該直流變換器電路拓撲簡潔，升壓能力強，占空比較小時也可輸出較高的電壓。另外兩個輸入源串聯可同時為負載供電，在實現高電壓輸出的之余還可防止極限占空比的發(fā)生。