《電子技術(shù)應(yīng)用》
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單開關(guān)低電壓應(yīng)力的高增益Boost變換器
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第12期
丁 杰,趙世偉,文楚強(qiáng)
華南理工大學(xué) 電力學(xué)院,廣東 廣州510640
摘要: 為了將分布式發(fā)電系統(tǒng)中光伏板、燃料電池等的低壓直流電轉(zhuǎn)換成高壓直流電,提出一種帶有泵升電容的基于開關(guān)電容與開關(guān)電感網(wǎng)絡(luò)的高增益DC/DC變換器。該變換器進(jìn)一步提高了電壓增益,減小了功率器件的電壓應(yīng)力。采用磁集成技術(shù),將兩個電感繞在同一磁芯上形成耦合電感,提高了變換器的功率密度。最后,分析了該拓?fù)涞幕竟ぷ髟?,并制作了一臺輸入電壓為30 V,輸出電壓為380 V,額定功率為200 W的樣機(jī),實驗結(jié)果證實了理論分析的正確性。
中圖分類號: TN86
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190897
中文引用格式: 丁杰,趙世偉,文楚強(qiáng). 單開關(guān)低電壓應(yīng)力的高增益Boost變換器[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2019,45(12):125-128.
英文引用格式: Ding Jie,Zhao Shiwei,Wen Chuqiang. High step-up low-voltage stress boost converter with single-switch[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(12):125-128.
High step-up low-voltage stress boost converter with single-switch
Ding Jie,Zhao Shiwei,Wen Chuqiang
Electric Power College,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China
Abstract: In order to convert the low-voltage direct current of photovoltaic panels and fuel cells in distributed power generation system into high-voltage direct current,a high step-up DC/DC converter with pump-up capacitor based on switch capacitor and switch inductance network is proposed. This converter further increases the voltage gain and reduces the voltage stress of the power device.Using magnetic integration technology, two inductors are wound on the same magnetic core to form coupled inductor, which improves the power density of the converter.Finally, the basic working principle of the topology is analyzed, and a prototype with input voltage of 30 V, output voltage of 380 V and rated power of 200 W is made. The experimental results verify the correctness of the theoretical analysis.
Key words : high step-up;boost converter;pump-up capacitor;switched network

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(xiàn)[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(xiàn)[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(jìn)而可以將增益擴(kuò)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(xiàn)[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(jìn)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(xiàn)[6]的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),通過對電路結(jié)構(gòu)加以改進(jìn),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(jìn)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?fù)浞治?/strong>

1.1 變換器拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu),該拓?fù)渲饕砷_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(jìn)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。

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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、CC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TS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。

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    (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CC和耦合電感L1、L2并聯(lián)充電,與此同時,C1、CC、C2、C0形成串聯(lián)回路,C1、C2放電,C0、CC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CC串聯(lián)放電,C1、C2并聯(lián)充電,輸出電容C0對負(fù)載放電。

2 性能分析

2.1 電壓增益M

    當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通時,L1、L2、CC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:

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

    此時耦合電感L1、L2的電壓為:

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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:

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    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(yuǎn)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(jìn)而提高整個電路的效率和可靠性,降低電路的成本。

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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(xiàn)[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,US-stress為開關(guān)管電壓應(yīng)力,UD-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(xiàn)[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。

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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(jī),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。

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    由圖5(c)可見,當(dāng)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、CC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%。

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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?fù)渫ㄟ^泵升電容與開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元的巧妙結(jié)合,能夠進(jìn)一步提高電壓增益,降低功率器件的電壓應(yīng)力,且拓?fù)浣Y(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。基于上述優(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。

參考文獻(xiàn)

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作者信息:

丁  杰,趙世偉,文楚強(qiáng)

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院,廣東 廣州510640)

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