《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于CLD模塊的高增益二次升壓直流變換器
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第5期
趙新寬1，陳燕東2，張鎮(zhèn)強(qiáng)3，姜洪朝4
1.珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能電網(wǎng)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，廣東 珠海519090； 2.湖南大學(xué) 國(guó)家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙410082； 3.珠海麥尼電控技術(shù)有限公司，廣東 珠海519000；4.中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所，北京102209
摘要： 針對(duì)新能源利用過程中對(duì)高增益直流升壓變換器的需求，提出了一種新穎的二次升壓直流變換器。所提出的二次升壓直流變換器相較于傳統(tǒng)的二次升壓直流變換器和Boost電路，具有更高的電壓增益和更低的開關(guān)管電壓應(yīng)力，其更實(shí)用于對(duì)能量轉(zhuǎn)換效率高、對(duì)電壓增益要求高的新能源并網(wǎng)應(yīng)用。通過實(shí)驗(yàn)室搭建的實(shí)驗(yàn)樣板，證明了理論分析的正確性。
中圖分類號(hào)： TM46
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.173397
中文引用格式： 趙新寬，陳燕東，張鎮(zhèn)強(qiáng)，等. 基于CLD模塊的高增益二次升壓直流變換器[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(5)：155-158.
英文引用格式： Zhao Xinkuan，Chen Yandong，Zhang Zhenqiang，et al. High-gain quadratic boost DC converter based on cld module[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(5)：155-158.
High-gain quadratic boost DC converter based on cld module
Zhao Xinkuan1，Chen Yandong2，Zhang Zhenqiang3，Jiang Hongzhao4
1.Collaborative Innovation Center of Smart Grid Technology，Zhuhai City Polytechnic，Zhuhai 519090，China； 2.Natural Electric Power Conversion and Control Engineering Technology Research Center，Hunan University，Changsha 410082，China； 3.Zhuhai Mni Electric Control Technology Co Ltd. Zhuhai 519000，China； 4.The 6th Research Institute of CEC，Beijing 100083，China
Abstract： In order to meet the demand of high-gain direct-current boost converter in the process of using new energy, a novel quadratic boost direct-current converter is proposed. In this paper, the quadratic boost direct-current converter compared to the traditional quadratic boost direct-current converter and boost circuit, have a higher voltage gain and lower switching tube voltage stress, which is more practical for high energy conversion efficiency , The voltage gain requirements of the new energy and network applications. The correctness of the theoretical analysis is proved by the experimental model of the laboratory.
Key words : quadratic boost；CLD cell；high-gain；direct-current converter

0 引言

    尋找電壓增益高、元器件電壓應(yīng)力小的直流變換器已成為了現(xiàn)階段人們?cè)谠擃I(lǐng)域里研究的熱點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已提出了許多用于新能源發(fā)電系統(tǒng)中的高增益直流升壓變換器[1-11]。文獻(xiàn)[2]在交互Boost電路基礎(chǔ)上，利用開關(guān)電容的充放電達(dá)到了使其輸出電壓倍增的目的。文獻(xiàn)[4]提出了多輸入的并聯(lián)連接，然后再用Buck-Boost電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以此實(shí)現(xiàn)了多輸入升壓的目的。

    本文提出了一種基于CLD模塊的二次升壓直流變換器，其電壓增益為傳統(tǒng)Boost電路的(1+D)/(1-D)倍、其開關(guān)管的電壓應(yīng)力為傳統(tǒng)Boost電路的1/(1+D)倍。本文詳細(xì)推導(dǎo)了所提變換器的工作模態(tài)、工作原理、各種電壓性能指標(biāo)，并在文中就其電壓增益與其他相似變換器進(jìn)行了對(duì)比，最終通過實(shí)驗(yàn)室搭建的實(shí)驗(yàn)樣板，證明了理論分析的正確性。

1 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    圖1所示為傳統(tǒng)的單開關(guān)二次升壓變換器[5]。由圖1可知，其開關(guān)管S的電壓應(yīng)力VS-stress和二極管D3的電壓應(yīng)力VD3-stress可表示為：

    dy3-gs1.gif

dy3-t1.gif

    為減少開關(guān)管S和二極管D3上的電壓應(yīng)力，并增加整個(gè)變換器的電壓增益，本設(shè)計(jì)在圖2中提出了CLD模塊。

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    圖2所示為傳統(tǒng)Boost電路與CLD模塊組和而成的新型變換器。

    為了增加傳統(tǒng)的單開關(guān)二次升壓變換器的電壓增益并減少其開關(guān)管S兩端所承受的電壓應(yīng)力，本文把CLD模塊加載到了傳統(tǒng)二次升壓變換器上去，并重新提出了一種新型的變換器，如圖3所示。

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2 變換器的工作原理

    為了簡(jiǎn)化理論分析，對(duì)本文所提基于CLD模塊的高增益二次升壓直流變換器的所有元器件作如下假設(shè)：(1)電感電流iL1、iL2、iL3連續(xù)，即變換器一直工作在電感電流連續(xù)模式CCM(Continuous Conduction Model)；(2)電容C1、C2、C3、C4容值足夠大，其上電壓的紋波可以忽略不計(jì)；(3)不考慮所有元器件的寄生參數(shù)的影響，即它們都是理想元器件。

    由于電感電流工作在CCM模式，現(xiàn)分別對(duì)對(duì)應(yīng)于開關(guān)管S導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)刻的工作模態(tài)1和工作模態(tài)2作如下分析。

2.1 工作模態(tài)1

    此時(shí)開關(guān)管S、二極管D2導(dǎo)通，二極管D1、D3、D4關(guān)斷，其等效電路如圖4(a)所示。此時(shí)電路中有四個(gè)回路：回路1，電源VDC、電感L1、二極管D2、開關(guān)管S串聯(lián)形成回路，此時(shí)電源VDC給電感L1充電；回路2，電容C1、電感L2、開關(guān)管S串聯(lián)形成回路，此時(shí)電容C1給電感L2充電；回路3，開關(guān)管S、電容C3、電容C4、電感L3、電容C2串聯(lián)形成回路，此時(shí)電容C2、C3串聯(lián)給電感L3充電：回路4，電容C4與負(fù)載R組成回路，負(fù)載R由電容C4供電。

    在整個(gè)工作模態(tài)1中，電感電流iL1、iL2、iL3呈線性增長(zhǎng)，且其值對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)分別為：

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2.2 工作模態(tài)2

    此時(shí)開關(guān)管S、二極管D2關(guān)斷，二極管D1、D3、D4導(dǎo)通，其等效電路如圖4(b)所示。此時(shí)電路中電感L1給電容C1充電，電感L2給電容C2、C3充電，電感L3給電容C4充電。

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    在整個(gè)工作模態(tài)2中，電感電流iL1、iL2、iL3呈線性衰減，且其值對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)分別為：

     dy3-gs5-7.gif

2.3 主要波形及其電壓增益

    圖5所示為本文所提變換器一些主要參數(shù)的波形。其中VC1為電容C1兩端的電壓波形，iL1為流過電感L1的電流波形，VC2為電容C2兩端的電壓波形，iL2為流過電感L2的電流波形，VD2為二極管D2兩端的電壓波形，iL3為流過電感L3的電流波形。

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    根據(jù)圖4(a)和圖4(b)可知，對(duì)其中電感L1、L2、L3運(yùn)用伏秒平衡可得：

     dy3-gs8-11.gif

    其中D為開關(guān)管S的占空比，MCCM為變換器在電感電流連續(xù)模式下的電壓增益。

3 與其他高增益直流升壓變換器的比較

3.1 電壓增益的比較

    由圖1可知傳統(tǒng)二次升壓變換器[5]在電感電流連續(xù)模式下的電壓增益為：

    dy3-gs12.gif

    由文獻(xiàn)[9]可知變換器工作在電感電流連續(xù)模式和工作在電感電流斷續(xù)模式下時(shí)的電感L3的臨界值為：

    dy3-gs13.gif

    其中T為變換器中開關(guān)管S的時(shí)鐘周期，因此為保證變換器一直工作在CCM模式下，其電感L3的值必須大于由式(13)所計(jì)算出來的值。

    變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2、圖3、圖1在CCM模式下的電壓增益如圖6所示。

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    由圖6可知本文所提變換器在同一占空比時(shí)，相較于其他三種高增益直流升壓變換器具有最高的電壓增益。

3.2 開關(guān)管電壓應(yīng)力的比較

    由式(8)、式(9)、式(10)可知電容C1、C2的電壓值VC1、VC2為：

     dy3-gs14-15.gif

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4 實(shí)驗(yàn)研究

    為了驗(yàn)證本文所提基于CLD模塊的高增益二次升壓直流變換器的理論分析的正確性，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室制作了一臺(tái)工作在CCM模式下的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)用元器件參數(shù)及實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

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    圖7(a)、(b)、(c)為依照本文所提基于CLD模塊的高增益二次升壓直流變換器在實(shí)驗(yàn)室所做的試驗(yàn)樣機(jī)在占空比D=0.5時(shí)的部分波形。圖7(a)所示為試驗(yàn)樣機(jī)的輸入輸出電壓波形，可讀出輸入電壓VDC為10 V，輸出電壓Vo為60 V，與理論計(jì)算值相符；圖7(b)所示為試驗(yàn)樣機(jī)中開關(guān)管S與二極管D3兩端所承受的電壓應(yīng)力，可讀出開關(guān)管S的電壓應(yīng)力VS-stress為40 V，二極管D3的電壓應(yīng)力VD3-stress為40 V，與理論計(jì)算值相符；圖7(c)所示為試驗(yàn)樣機(jī)中二極管D1、D2兩端所承受的電壓應(yīng)力，可讀出其電壓應(yīng)力均為20 V，與理論計(jì)算值相符。

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5 結(jié)論

    本文提出了一種基于CLD模塊的高增益二次升壓直流變換器，并在CCM模式下對(duì)其開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)作了詳盡地理論分析，推導(dǎo)了其電壓增益公式及其中各種元器件的電壓應(yīng)力。并在同等條件下就其相似變換器作了電壓增益和各種元器件電壓應(yīng)力的比較，論證了本文所提變換器具有電壓增益高、元器件電壓應(yīng)力小等特點(diǎn)。最終通過在實(shí)驗(yàn)室所搭建的實(shí)驗(yàn)樣板，實(shí)驗(yàn)論證了上述理論分析的正確性。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳庚，董秀成，李浩然，等.基于二極管鉗位的新型高增益直流升壓變換器[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2017，29(9)：48-53.

[2] Hu Xuefeng，Gong Chunying.A high gain input -parallel output-series DC/DC converter with dual coupled inductors[J].Power Electronics，IEEE Transactions on，2015，30(3)：1306-1317.

[3] 羅全明，邾玢鑫，周雒維，等.一種多路輸入高升壓Boost變換器[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(3)：9-14.

[4] 王挺，湯雨，何耀華，等.多單元開關(guān)電感/開關(guān)電容有源網(wǎng)絡(luò)變換器[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34(6)：832-838.

[5] AXELROD B，BERKOVICH Y.Switched capacitor/ switched inductor structures for getting transformerless hybrid DC-DC PWM converters[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems.，2009，5(2)：687-696.

[6] 陳庚，董秀成，李浩然，等.非隔離新型高增益DC-DC升壓變換器[J].電源學(xué)報(bào)，2017，15(5)：1-6.

[7] TSENG K C，HUANG C C.High step-up high-efficiency interleaved converter with voltage multiplier module for renewable energy system[J].Industrial Electronics，IEEE Transactions on，2014，61(3)：1311-1319.

[8] 陳文奎，程為彬，郭穎娜.寬輸入DC-DC Boost變換器電感參數(shù)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(2)：146-148，159.

[9] Leyva-Ramos J，Ortiz-Lopez M G，Diaz-Saldierna L H，et al.Switching regulator using a quadratic boostconverter for wide DC conversion ratios[J].IET Power Electronics.，2009，2(5)：605-613.

[10] KHALIGH  A，CAO J，LEE Y J．A multiple-input DC-DC converter topology[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24(3)：862-868.

[11] 李紀(jì)曉，陳息坤.AGV自主充電數(shù)字控制DC/DC變換器研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(9)：125-127，131.



作者信息:

趙新寬1，陳燕東2，張鎮(zhèn)強(qiáng)3，姜洪朝4

（1.珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能電網(wǎng)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，廣東 珠海519090；

2.湖南大學(xué) 國(guó)家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙410082；

3.珠海麥尼電控技術(shù)有限公司，廣東 珠海519000；4.中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所，北京102209）

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