岳 舟，劉小荻，姚紹華，周 勇

一種輸入電流連續(xù)的新型高增益DC-DC升壓變換器

岳 舟，劉小荻，姚紹華，周 勇

(湖南人文科技學(xué)院，能源與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 婁底 417000)

高增益DC-DC變換器正越來(lái)越多地應(yīng)用于太陽(yáng)能光伏或其他可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能以及更高的效率，是為上述應(yīng)用選取變換器的先決條件。為此，提出一種高增益DC-DC升壓變換器。首先，詳細(xì)闡述了該新型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理，在此基礎(chǔ)上，對(duì)其電路參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。然后，將所提變換器與最近提出的其他類似變換器在各種性能參數(shù)上進(jìn)行了比較。最后，采用Matlab軟件建立了系統(tǒng)仿真模型，并研制了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。所提變換器只使用一個(gè)功率開關(guān)，具有連續(xù)的輸入電流，同時(shí)能夠降低開關(guān)器件間的電壓應(yīng)力。占空比的工作范圍更寬，并且在較低的占空比下可以獲得較高的電壓增益。輸入電流連續(xù)是DC-DC變換器的一個(gè)理想特性，所提變換器非常適合太陽(yáng)能、光伏應(yīng)用。

連續(xù)導(dǎo)通模式；分布式發(fā)電；高增益；DC-DC升壓變換器；電壓應(yīng)力

0 引言

為了可持續(xù)發(fā)展，可再生能源在能源利用中發(fā)揮著重要作用[1-3]。通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行并網(wǎng)或離網(wǎng)應(yīng)用研究，證明其在能源市場(chǎng)方案中扮演著重要的角色[4-5]。隨著交通運(yùn)輸系統(tǒng)的變革，電動(dòng)汽車有望成為未來(lái)汽車行業(yè)的主流。燃料電池也越來(lái)越多地應(yīng)用于電動(dòng)汽車[6-7]。然而，太陽(yáng)能光伏發(fā)電和燃料電池產(chǎn)生的電壓都比較低，實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要提高電壓[8]。因此，高電壓增益DC-DC變換器是太陽(yáng)能光伏發(fā)電和電動(dòng)汽車的重要組成部分。升壓DC-DC變換器經(jīng)常應(yīng)用于汽車的高強(qiáng)度前照燈、不間斷電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及其他許多方面[9-11]。功率變換器的應(yīng)用范圍從智能電池充電系統(tǒng)中的幾瓦到高壓直流輸電系統(tǒng)中換流站中的數(shù)百千瓦不等。直流微電網(wǎng)的簡(jiǎn)單示意圖如圖1所示。圖1中高壓直流母線規(guī)格為400 V，而光伏的輸出電壓在12～48 V之間，所以高電壓增益和高效率的變換器是連接光伏電源和直流母線以達(dá)到所需電壓水平的基本要求[12]。近年來(lái)，全球范圍內(nèi)分布式發(fā)電(Distributed Generation, DG)在中低壓場(chǎng)合的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[13]。分布式發(fā)電主要包括風(fēng)力發(fā)電、燃料電池、太陽(yáng)能發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等，由于其分布廣闊，其特點(diǎn)是可以充分開發(fā)利用周圍各種分散存在的能源，減小碳排放，并大力促進(jìn)可再生能源的發(fā)展。此外，DG距離終端用戶較近，從而提高了供電的可靠性和電能質(zhì)量[14]。由于可再生能源的間歇性和終端電壓水平較低，DG的設(shè)計(jì)和運(yùn)行需要新的接口技術(shù)[15]。對(duì)高電壓增益的高效DC-DC變換器的需求就是其中之一。

圖1 直流微電網(wǎng)的簡(jiǎn)單示意圖

傳統(tǒng)的升壓變換器(Conventional Boost Converter, CBC)不適用于需要較高電壓增益的應(yīng)用場(chǎng)合，因?yàn)槠湟跇O高的占空比下才能獲得高電壓增益。占空比越高，瞬態(tài)響應(yīng)問題就越嚴(yán)重[16]。在極高的占空比下，CBC工作的另一個(gè)缺陷是沒有足夠的時(shí)間來(lái)傳輸反向恢復(fù)二極管的電感和電容儲(chǔ)能[17]。此外，CBC在較高的占空比下效率會(huì)顯著降低，其主要原因是二極管、功率開關(guān)以及電容和電感的等效串聯(lián)電阻之間的電壓降[18-19]。有學(xué)者提出了幾種采用高頻變壓器隔離的DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[20-21]。其高電壓增益是通過(guò)提高變壓器的匝數(shù)比來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但是由于變壓器的存在，變換器的成本、尺寸和重量都會(huì)增加。使用耦合電感可以獲得高電壓增益，但需要設(shè)計(jì)箝位電路[22-23]。耦合電感的漏感會(huì)產(chǎn)生通過(guò)功率開關(guān)的電流瞬變問題。由于反向恢復(fù)問題和漏感，在帶耦合電感變換器的兩級(jí)操作中，變換器效率會(huì)降低[24]。兩個(gè)或多個(gè)變換器串聯(lián)也能夠獲得高電壓增益，但這會(huì)增加電路中無(wú)源元件的數(shù)量。在極高占空比下，大量的元件會(huì)增加功率損耗[10,25-27]。文獻(xiàn)[27]用開關(guān)電感和電容來(lái)合成新的混合變換器。開關(guān)電容拓?fù)潆m然在充電時(shí)消耗更大的電流，但由于體積小和電壓增益高，比開關(guān)電感拓?fù)涓軞g迎。文獻(xiàn)[28]提出兩個(gè)變換器級(jí)聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其二次增益略大于傳統(tǒng)的二次升壓。文獻(xiàn)[29]提出一種帶有兩個(gè)電感的單開關(guān)拓?fù)?，該電路拓?fù)涫怯晌墨I(xiàn)[30]所提電路延伸出來(lái)的，它具有更高的電壓增益，但功率開關(guān)上的電壓應(yīng)力也較高。文獻(xiàn)[31]提出一種單開關(guān)二次電壓增益變換器，但其電感數(shù)量較多，開關(guān)上的電壓應(yīng)力與輸出電壓相同。

為此，本文提出一種高增益DC-DC升壓變換器。詳細(xì)闡述了該新型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理，在此基礎(chǔ)上，對(duì)其電路參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。并與最近提出的其他類似變換器在各種性能參數(shù)上進(jìn)行了比較。建立了Matlab仿真模型進(jìn)行仿真研究，并研制了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。該新型變換器可以在很寬的占空比范圍內(nèi)工作，且能夠在較低的占空比下獲得高電壓增益，這就避免了其在極高占空比下工作的情況，因此不存在二極管反向恢復(fù)時(shí)間的問題。雖然該變換器元件較多，但電壓增益高，輸入電流連續(xù)，使其非常適合于太陽(yáng)能光伏應(yīng)用。

1 所提變換器

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)二次升壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。該電路拓?fù)涫褂昧藘蓚€(gè)電感。

圖2 傳統(tǒng)二次升壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[31]提出的變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。該變換器使用一個(gè)電壓倍增器來(lái)提升電壓，以獲得兩倍于傳統(tǒng)二次升壓變換器的電壓增益。雖然它也使用了兩個(gè)電感，但比傳統(tǒng)二次升壓變換器具有更多的優(yōu)點(diǎn)。

圖3 文獻(xiàn)[31]提出的變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文所提變換器拓樸結(jié)構(gòu)如圖4所示。該變換器包括1個(gè)功率開關(guān)S、2個(gè)電感L1和L2，5個(gè)電容C1、C2、C3、C4和C0，6個(gè)二極管D1、D2、D3、D4、D5和D6以及負(fù)載R。所有的電容和電感都取較大值進(jìn)行分析，這樣電容上的電壓和電感上的電流可以認(rèn)為是恒定的。變換器在一個(gè)開關(guān)周期s內(nèi)有兩種工作狀態(tài)。所有分析均在連續(xù)導(dǎo)通模式(Continuous Conduction Mode, CCM)下進(jìn)行。同時(shí)，在分析電路工作原理時(shí)基于以下假設(shè)：(1) 所有元件都是理想的，不會(huì)產(chǎn)生損失。(2) 開關(guān)周期是恒定的。

圖4 本文所提變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 工作模式

本文所提變換器的特征波形如圖5所示。對(duì)應(yīng)的電路分為兩種工作模式：第一種模式工作于開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)，第二種模式工作于開關(guān)關(guān)斷狀態(tài)。工作模式如圖6所示。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通(0＜＜1)時(shí)，該電路工作于圖6(a)所示的模式一。當(dāng)開關(guān)關(guān)斷(1＜＜2)時(shí)，電路則工作于圖6(b)所示的模式二。

圖5 特征波形

圖6 工作模式

(1) 模式一：開關(guān)導(dǎo)通時(shí)(0＜＜1)

模式一如圖6(a)所示。在開關(guān)導(dǎo)通期間，D1、D3和D5正向偏置，而D2、D4和D6反向偏置。在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，電感電流L1和L2同時(shí)上升到峰值，這意味著電感儲(chǔ)存能量。在此間隔期間，電容C1、C3和C4分別將其能量傳輸?shù)诫姼蠰2和負(fù)載。利用KVL和KCL的基本定律導(dǎo)出的電壓和電流關(guān)系為

(2) 模式二：開關(guān)關(guān)斷時(shí)(1<<2)

模式二如圖6(b)所示。在開關(guān)關(guān)斷期間，D2、D4和D6正向偏置，而D1、D3和D5反向偏置。在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，電感電流L1和L2同時(shí)減小，它們將能量轉(zhuǎn)移到電容C1、C3和C4。電容對(duì)負(fù)載放電并供電。

導(dǎo)出的電壓和電流方程為

1.3 電壓增益(M)

在穩(wěn)態(tài)時(shí)，通過(guò)電感的平均電壓為零。根據(jù)式(1)和式(2)，在L1和L2上應(yīng)用伏秒平衡原理，可得

聯(lián)立式(1)—式(4)，可得

最后，根據(jù)式(5)得到變換器的電壓增益為

1.4 功率器件的電壓和電流應(yīng)力

功率開關(guān)及其他元件的電壓應(yīng)力是其在關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電壓。功率開關(guān)S與所有二極管D1、D2、D3、D4、D5和D6之間的電壓應(yīng)力如下：

假設(shè)該電路是一個(gè)無(wú)損電路，理想情況下，輸入功率完全傳輸?shù)截?fù)載。因此

所以，從式(8)得到

在C1和C2上應(yīng)用安秒平衡原理，可以得到通過(guò)電感L2的平均電流：

以及

根據(jù)式(1)和式(2)中的電流方程，可以計(jì)算L2，如式(10)所示。

同理，在C1和C4上應(yīng)用安秒平衡原理可以得到通過(guò)功率開關(guān)的電流為

同理得到所有通過(guò)二極管的電流如下：

1.5 電路參數(shù)設(shè)計(jì)

(1) 占空比計(jì)算

為了在給定的輸入電壓下獲得所需的輸出電壓，可以計(jì)算占空比。根據(jù)式(6)，占空比為

(2) 元件設(shè)計(jì)

對(duì)于給定合適值的電感電流L1和L2在開關(guān)頻率S為固定值下的紋波，可由式(1)計(jì)算電感，如式(14)所示。

此外，在電壓紋波的有效范圍內(nèi)，電容的紋波值可由式(2)計(jì)算得出。

1.6 邊界條件

對(duì)于連續(xù)導(dǎo)通工作模式，每個(gè)電感中的最小電流應(yīng)大于零。因此，兩個(gè)電感所需的最小電感計(jì)算如下：

定義電感L2的歸一化電感時(shí)間常數(shù)為

根據(jù)式(17)，邊界歸一化電感時(shí)間常數(shù)B可以表示為

要在CCM下工作，必須大于B，否則，將在斷續(xù)導(dǎo)通模式(Discontinous Conducion Mode, DCM)下工作。即：＞B，CCM；＜B，DCM；=B，臨界模式。

邊界歸一化電感時(shí)間常數(shù)與占空比關(guān)系曲線如圖7所示。根據(jù)圖7可知，變換器可以在不同的區(qū)域工作。應(yīng)該注意的是，CCM和DCM的開關(guān)頻率都是恒定的。

圖7 邊界歸一化電感時(shí)間常數(shù)與占空比關(guān)系曲線

2 對(duì)比研究

所提變換器與其他高增益DC-DC變換器的比較如表1所示。比較分析主要基于以下幾個(gè)方面：元件數(shù)目、電壓增益和開關(guān)的電壓應(yīng)力。本文提出的變換器僅使用一個(gè)功率開關(guān)和兩個(gè)電感，就提供了2倍于傳統(tǒng)二次升壓變換器的電壓增益。文獻(xiàn)[22]設(shè)計(jì)的變換器提供的增益比所提變換器低，而且它同時(shí)使用了一個(gè)電感和一個(gè)耦合電感，因此功率開關(guān)上的電壓應(yīng)力比所提拓?fù)涓摺Ｎ墨I(xiàn)[28-29,32]中所述的變換器使用了與所提變換器相同數(shù)量的電感和功率開關(guān)，但這些變換器的電壓增益較低，功率開關(guān)上的電壓應(yīng)力高于所提變換器。文獻(xiàn)[31]中分析的變換器提供的電壓增益為傳統(tǒng)二次升壓變換器的2倍，低于所提變換器。并且在該變換器中，功率開關(guān)上的應(yīng)力與傳統(tǒng)二次升壓變換器的應(yīng)力相同。此外，該變換器使用了3個(gè)電感，使得其重量增大。與分別使用6個(gè)電感、6個(gè)功率開關(guān)和4個(gè)電感、2個(gè)功率開關(guān)的變換器相比，文獻(xiàn)[33]和文獻(xiàn)[34]中的變換器提供了非常低的增益。雖然這兩種變換器開關(guān)管上的電壓應(yīng)力比所提變換器低，但是它們使用了更多的開關(guān)管，使得其控制更加復(fù)雜。在占空比=0.5的情況下，表1中列出了所有變換器的電壓增益計(jì)算公式，從表中可以看出，所提變換器的電壓增益是所列變換器中最高的。應(yīng)該注意的是，所有的對(duì)比都是基于CCM。電壓增益與電壓應(yīng)力的對(duì)比分析如圖8所示。圖8(a)為電壓增益與占空比的關(guān)系曲線，從圖中可以分析出，其他變換器需要在極高的占空比下才能保持高電壓增益，但所提變換器能夠在較低的占空比下獲得與其相同的電壓增益，這是所提變換器的突出優(yōu)點(diǎn)。圖8(b)為功率開關(guān)上的電壓應(yīng)力與電壓增益的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，在特定電壓增益下，除了文獻(xiàn)[33]和文獻(xiàn)[34]中提出的變換器外，所提變換器開關(guān)上的電壓應(yīng)力低于其他變換器。由于功率器件間的電壓應(yīng)力較低，所提變換器可以使用低功率器件。

表1 與其他高增益DC-DC變換器的比較

圖8 對(duì)比分析

3 仿真研究

表2 電路參數(shù)設(shè)置

圖9 IL1和IL2以及開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的仿真波形

圖10 Uo和Uin以及開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的仿真波形

輸入電流in的仿真波形如圖11所示。從圖中可以看出，變換器產(chǎn)生了一個(gè)具有低紋波的連續(xù)電流，從而提高了其對(duì)光伏系統(tǒng)和燃料電池的適應(yīng)能力[35]，這也是所提變換器降低輸入濾波器成本的原因。圖12為C1、C3和C4的仿真波形，這里C1、C3和C4之間的電壓變化非常小，其值分別為33 V、77.5 V和77.5 V。

D5、S和開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形如圖13所示。在o=155 V時(shí)S為77.5 V，遠(yuǎn)小于o由于開關(guān)S上的電壓應(yīng)力較低，所提變換器可以采用低額定電壓的功率開關(guān)，降低了損耗，提高了效率。輸出二極管D5上的電壓D5的值也為77.5 V。輸出二極管上的電壓為輸出電壓o的一半，這有利于變換器使用低功率半導(dǎo)體器件工作。

圖11 輸入電流Iin的仿真波形

圖12 UC1、UC3和UC4的仿真波形

圖13 UD5、US和開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的仿真波形

4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

研制了一臺(tái)200 W樣機(jī)，對(duì)變換器的運(yùn)行進(jìn)行了實(shí)際評(píng)估和驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖14所示。所提變換器可以在很寬的占空比范圍內(nèi)工作，但由于其具有二次增益，在占空比小于0.5的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)10倍以上的電壓增益。本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果是在占空比=0.3的情況下測(cè)試得到的。選取該占空比僅用于驗(yàn)證理論結(jié)果，實(shí)際上可以采用任何其他占空比。電感L1、L2電流及驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)驗(yàn)波形如圖15所示，從圖中可以看出電感電流的平均值分別為5.2 A和2.2 A，電流紋波較小。

圖14 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

圖15 電感L1、L2電流及驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)驗(yàn)波形

輸入輸出電壓及驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)驗(yàn)波形如圖16所示。對(duì)于24 V的輸入電壓，在占空比=0.3時(shí)，輸出電壓為155 V。由于功率開關(guān)、二極管、電容和電感之間電壓降的影響，實(shí)際輸出電壓降低(低于理論值166 V)。電容C1、C3、C4電壓實(shí)驗(yàn)波形如圖17所示，電容電壓值分別為32 V、77.5 V和77.5 V。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，電容兩端的電壓小于輸出電壓。圖18為輸出電壓、開關(guān)電壓應(yīng)力及驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)驗(yàn)波形，開關(guān)上的電壓應(yīng)力為77.5 V。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果非常吻合。這里，變換器僅在=0.3時(shí)運(yùn)行，目的是為了驗(yàn)證理論和仿真結(jié)果。實(shí)際應(yīng)用中變換器可以在更高的占空比下工作，以獲得逆變器所需的高電壓。

圖16 輸入輸出電壓及驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)驗(yàn)波形

圖17 電容C1、C3、C4電壓實(shí)驗(yàn)波形

圖18 輸出電壓、開關(guān)電壓應(yīng)力及驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié)論

本文提出一種輸入電流連續(xù)的新型DC-DC升壓變換器。該電路中的功率開關(guān)和其他功率元件間具有相對(duì)較低的電壓應(yīng)力。所提新型拓?fù)涞闹饕攸c(diǎn)是：

(1) 與傳統(tǒng)的二次升壓變換器和文獻(xiàn)[26]中提出的二次升壓變換器相比，電壓增益提高了一倍以上。

(2) 耦合電感不用于增加電壓增益，因此不存在由漏感引起的問題。

(3) 只使用一個(gè)功率開關(guān)，所以控制簡(jiǎn)單。

(4) 輸入電流連續(xù)，紋波小，降低了輸入濾波器的成本。

由于所提變換器具有上述優(yōu)點(diǎn)，使其適用于太陽(yáng)能光伏應(yīng)用、燃料電池和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。同時(shí)，所提變換器在低占空比下的電壓增益比傳統(tǒng)的升壓變換器和其他高增益變換器都要高，因此，所提拓?fù)湟卜浅＿m合微電網(wǎng)應(yīng)用。

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A novel high gain DC-DC boost converter with continuous input current

YUE Zhou, LIU Xiaodi, YAO Shaohua, ZHOU Yong

(College of Energy, Mechanical and Electrical Engineering, Hunan University of Humanities, Science and Technology, Loudi 417000, China)

High gain DC-DC converters are increasingly being used in solar PV and other renewable generation systems. Satisfactory steady-state and dynamic performance, along with higher efficiency, is a prerequisite for selecting a converter for these applications. This paper proposes a high gain DC-DC boost converter. First, the circuit topology and the working principle are discussed in detail. The circuit parameters are designed. Then, the proposed converter is compared with other similar recently proposed converters on various performance parameters. Finally, a system simulation model is established by Matlab software, and the experimental prototype is developed. The simulation and experimental results verify the correctness of the theoretical analysis. The proposed converter only uses one power switch, which has continuous input current and can reduce the voltage stress between switching devices. The working range of duty cycle is wider, and higher voltage gain can be obtained at lower duty cycle. Continuous input current is an ideal characteristic of a DC-DC converter. This makes it very suitable for solar photovoltaic applications.

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 61702182).

continuous conduction mode; distributed generation; high gain; DC-DC boost converter; voltage stress

10.19783/j.cnki.pspc.210953

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(61702182)；湖南省教育廳優(yōu)秀青年項(xiàng)目資助(20B328)；湖南省創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目資助(S202110553023)

2021-07-22；

2021-10-23

岳 舟(1982—)，男，碩士，副教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。E-mail：yuezhou2000@163.com

(編輯 魏小麗)