0 引言

    隨著不可再生資源的消耗，使得發(fā)展綠色能源成為必然。而以新能源為首的光伏發(fā)電、燃料電池等輸出的電壓較低，為滿足能與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，必須將光伏板、燃料電池輸出的低壓升高很多倍^[1-3]。傳統(tǒng)的Boost變換器輸出電壓增益有限，且開關(guān)管的電壓應(yīng)力較大。

    目前，基于Boost變換器，提出了許多新型高增益升壓變換器。文獻[4-5] 提出了級聯(lián)型Boost升壓變換器，但所用功率器件多，效率低下，且后級功率器件電壓應(yīng)力較高。文獻[6]提出了采用泵升電容高增益直流變換器，該變換器將基于泵升模塊的級聯(lián)型升壓變換器前一級的輸出電容和二極管去掉，進而可以將增益擴大一倍，但其開關(guān)管和輸出二極管的電壓應(yīng)力較大，且該變換器的電壓增益仍然有限。文獻[7-9]提出了基于耦合電感的高增益變換器，利用增加耦合電感繞組匝比來提高輸出電壓增益，但這樣會導(dǎo)致耦合電感漏感增加，進而使得開關(guān)管關(guān)斷時存在很高的電壓尖峰，容易損壞開關(guān)管，加入箝位電路又會增加變換器的復(fù)雜性和損耗。

    本文以文獻[6]的拓撲結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過對電路結(jié)構(gòu)加以改進，提出了單開關(guān)低電壓應(yīng)力的高增益Boost變換器。該變換器引入了開關(guān)電感和開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)使得電壓增益進一步提高，降低了開關(guān)管、二極管的電壓應(yīng)力，減少了開關(guān)管的數(shù)量。

1 變換器拓撲分析

1.1 變換器拓撲結(jié)構(gòu)

    圖1給出了本文提出的單開關(guān)低電壓應(yīng)力的高增益Boost變換器的拓撲結(jié)構(gòu)，該拓撲主要由開關(guān)電感網(wǎng)絡(luò)(L₁、L₂、D₂、D₃、D₄)、開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)(C₁、C₂、D₅、D₆)、泵升電容CC組成。為了進一步提高變換器的功率密度，L₁、L₂繞在同一個磁芯上，組成耦合電感。

1.2 工作模態(tài)分析

    為了分析的方便，假設(shè)：(1)所有器件不考慮寄生參數(shù)，均是理想器件；(2)電容C₁、C₂、C₀、C_C很大，其電壓紋波可以忽略不計；(3)電路工作在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)。

    該變換器穩(wěn)態(tài)工作時，在一個開關(guān)周期T_S內(nèi)共有2個開關(guān)模態(tài)，各個開關(guān)模態(tài)的主要工作波形及等效電路分別如圖2、圖3所示，各開關(guān)模態(tài)的主要工作過程如下所述。

    (1)工作模態(tài)1[t₀-t₁]：在此階段中，開關(guān)管S導(dǎo)通，二極管D₁、D₂、D₄、D₇導(dǎo)通，D₃、D₅、D₆關(guān)斷。泵升電容C_C和耦合電感L₁、L₂并聯(lián)充電，與此同時，C₁、C_C、C₂、C₀形成串聯(lián)回路，C₁、C₂放電，C₀、C_C充電。

    (2)工作模態(tài)2[t₁-t₂]：在此階段，開關(guān)管S關(guān)斷，二極管D₃、D₅、D₆導(dǎo)通，D₁、D₂、D₄、D₇關(guān)斷。耦合電感L₁、L₂和泵升電容C_C串聯(lián)放電，C₁、C₂并聯(lián)充電，輸出電容C₀對負載放電。

2 性能分析

2.1 電壓增益M

    當開關(guān)管S導(dǎo)通時，L₁、L₂、C_C并聯(lián)充電，同時C₁、C₂串聯(lián)放電。

    此時耦合電感L₁、L₂的電壓為：

    當開關(guān)管S關(guān)斷時，L₁、L₂、C_C串聯(lián)放電，C₁、C₂并聯(lián)充電。

    此時耦合電感L₁、L₂的電壓為：

2.2 電壓應(yīng)力

    開關(guān)管S、二極管D₁、D₅、D₆、D₇電壓應(yīng)力為：

    圖4給出了元器件電壓應(yīng)力隨占空比變化的曲線。由圖4可知，所有元器件的電壓應(yīng)力都遠小于輸出電壓Uo，可以采用低電壓應(yīng)力、高性能的開關(guān)管和二極管，進而提高整個電路的效率和可靠性，降低電路的成本。

2.3 各項性能參數(shù)比較

    表1所示為傳統(tǒng)Boost變換器、文獻[6]提出的變換器與本文提出的變換器各項性能參數(shù)的對比，其中M為變換器輸出電壓增益，U_S-stress為開關(guān)管電壓應(yīng)力，U_D-stress為輸出二極管電壓應(yīng)力。由表1可知，本文所提出的變換器具有更高的電壓增益，且開關(guān)管和輸出二極管的電壓應(yīng)力更低，可選取低電壓等級、低導(dǎo)通電阻的開關(guān)管，提高變換器的效率，降低電路成本。相對于文獻[6]，本文提出的變換器開關(guān)管和電感數(shù)量更少，但二極管數(shù)量較多。

3 實驗結(jié)果與分析

    為了驗證以上分析的正確性，搭建了一臺200 W的原理樣機，實驗所需主電路參數(shù)如表2所示，所測得的波形如圖5所示。

    由圖5(c)可見，當占空比約為0.7時，完成了30 V到380 V的高增益轉(zhuǎn)換，避免了極限占空比的出現(xiàn)，電容C₁、C_C的電壓與理論計算值相符。圖5(a)給出了部分二極管和開關(guān)管漏源極的電壓波形，可以看出二極管和開關(guān)管的電壓應(yīng)力與理論計算值相符，滿足低電壓應(yīng)力要求。由圖5(b)可以看出二極管的電流波形與理論分析基本相同，而電感L₁、L₂的電流上升的斜率并非完全相同，這是因為制作電感時L₁、L₂會有一定的誤差，導(dǎo)致L₁大于L₂。上述波形在開關(guān)管動作時均會出現(xiàn)震蕩，主要原因是二極管的結(jié)電容與電路中的寄生電感發(fā)生了諧振。

    圖6為變換器的效率隨輸出功率變化的曲線，可以看出滿載時效率最高，為90.8%。

4 結(jié)論

    提出一種單開關(guān)低電壓應(yīng)力的高增益Boost變換器，分析了該變換器的工作原理、性能特點，并通過實驗驗證理論分析的正確性。該拓撲通過泵升電容與開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元的巧妙結(jié)合，能夠進一步提高電壓增益，降低功率器件的電壓應(yīng)力，且拓撲結(jié)構(gòu)簡單，采用單開關(guān)實現(xiàn)電路工作模態(tài)的轉(zhuǎn)換，降低了電路成本?；谏鲜鰞?yōu)點，該變換器可用于需要高增益DC/DC變換器的新能源場合。

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作者信息:

丁  杰，趙世偉，文楚強

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州510640)