高增益DC—DC變換器在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

房緒鵬+閆鵬+趙珂+于志學(xué)

摘 要： 以光伏、燃料電池為代表的新能源產(chǎn)業(yè)正逐漸興起，通過高升壓的DC?DC變換器將光伏輸出電壓提升到常規(guī)母線直流電壓，用來保證正常的并網(wǎng)逆變，但由于其輸出電壓等級(jí)較低，很難達(dá)到應(yīng)用場(chǎng)合所需的電壓要求。為了克服這種缺陷，主要介紹目前光伏發(fā)電行業(yè)不同應(yīng)用場(chǎng)合下的高增益直流變換器拓?fù)?，同時(shí)對(duì)高增益變換器進(jìn)行分類。把幾種高增益直流變換器的拓?fù)溥M(jìn)行總結(jié)，并分析其工作原理以及優(yōu)缺點(diǎn)，指出未來直流變換器拓?fù)涞陌l(fā)展趨勢(shì)和所面臨的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞： 新能源； 光伏發(fā)電； 并網(wǎng)； 高增益； DC?DC變換器； 電壓應(yīng)力

中圖分類號(hào)： TN710?34； TM461.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）03?0141?05

Abstract： The new energy resource industry such as photovoltaic power generation and fuel cell is gradually rising. The high boost DC?DC converter can increase the photovoltaic output voltage to the conventional DC busbar voltage to ensure the normal grid connection and inversion， but is difficult to realize the voltage requirements of application scenario. In order to eliminate the defects， the high?gain DC converter topologies in different applications are introduced for photovoltaic power generation industry， and the high?gain converter is classified. The topologies of several high?gain converters are summarized， and their working principles， advantages and disadvantages are analyzed. The development trend and challenge of the future DC converter topology are pointed out.

Keywords： new energy resource； photovoltaic power generation； grid connection； high gain； DC?DC converter； voltage stress

伴隨著環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，人們對(duì)能源的需求量不斷加大，以光伏、燃料電池等為代表的新能源因具有清潔和可再生特性日益受到人們的關(guān)注。但由于以光伏和燃料電池為代表的新能源發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓較低，既不能滿足現(xiàn)有設(shè)備的供電需求，又不能達(dá)到供給電網(wǎng)的需求。因此，在這些場(chǎng)合高增益的DC?DC變換器就有了用武之地。本文把現(xiàn)有的高增益DC?DC變換器加以總結(jié)，詳盡地分析其工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)，以方便同行的應(yīng)用。

1 各種變換器類型及其結(jié)構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)boost升壓變換器

傳統(tǒng)boost變換器電路拓?fù)淙鐖D1所示。該變換器有兩種工作狀態(tài)。開關(guān)管S1處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電源向電感儲(chǔ)能，儲(chǔ)存的能量為當(dāng)S1處于斷態(tài)時(shí)，電源和電感共同向電容充電同時(shí)向負(fù)載供電。此時(shí)，電感釋放的能量為周期根據(jù)電感在一個(gè)周期積累和釋放的能量相等，可得因此可得boost變換器的升壓因子為

傳統(tǒng)boost電路以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元器件少為優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：傳統(tǒng)boost變換器升壓困難，當(dāng)拓?fù)渖龎阂蜃雍艽髸r(shí)，其開關(guān)導(dǎo)通比接近于1。如，當(dāng)升壓因子高于5時(shí)，占空比高于0.8，在此條件下會(huì)導(dǎo)致開關(guān)損耗加劇和升溫過高，對(duì)直流電源有很大影響，同時(shí)變換效率低，不適合在電壓增益很高的場(chǎng)合應(yīng)用。

1.2 新型boost升壓變換器

新型boost變換器電路拓?fù)淙鐖D2所示。

新型boost變換器有兩種工作狀態(tài)。開關(guān)管S1導(dǎo)通時(shí)，二極管D1，D2關(guān)斷，D0導(dǎo)通，電源給電感充電，電容對(duì)充電，同時(shí)對(duì)負(fù)載放電。開關(guān)管S1關(guān)斷時(shí)，二極管D0截止，D1，D2導(dǎo)通，電源對(duì)電容和充電，電容對(duì)負(fù)載提供能量。新型boost變換器的升壓因子。

新型boost變換器的優(yōu)點(diǎn)：相比于傳統(tǒng)boost，新型boost變換器在提高電路變換效率的同時(shí)，提高了電壓增益。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。但相比于傳統(tǒng)boost變換器，增加了元器件的數(shù)量。

1.3 二次型boost升壓變換器

二次型boost變換器電路拓?fù)淙鐖D3所示。

二次型boost變換器有兩種工作狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)管S1導(dǎo)通時(shí)，二極管D2導(dǎo)通，二極管D1，D3關(guān)斷，輸入電源給電感充電，電容給電感充電，電容給負(fù)載放電；開關(guān)管S1關(guān)斷時(shí)，二極管D2關(guān)斷，二極管D1，D3導(dǎo)通，電感向電容充電，電感向電容充電，并且同時(shí)向負(fù)載提供能量。二次型boost變換器的升壓因子。

二次型boost變換器的優(yōu)點(diǎn)：在相同的占空比下，較傳統(tǒng)的boost變換器有更大的電壓增益，升壓能力得到提升。缺點(diǎn)：在提高升壓能力的同時(shí)，開關(guān)器件的電流、電壓應(yīng)力也提高，這使得開關(guān)器件的壽命縮短，也使得安全性降低，同時(shí)增大了電路的體積。

1.4 改進(jìn)二次型boost升壓變換器

改進(jìn)二次型boost變換器電路拓?fù)淙鐖D4所示，其等效電路如圖5a）和圖5b）所示。endprint

改進(jìn)二次型boost變換器有兩種工作狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)管S1導(dǎo)通時(shí)，二極管D0，D1關(guān)斷，D2，D3導(dǎo)通，電源給電感和電容充電，電容向電感放電；當(dāng)開關(guān)管S1關(guān)斷時(shí)，二極管D2，D3關(guān)斷，D0，D1導(dǎo)通，電源給電容充電，電感放電，電容給負(fù)載放電。改進(jìn)二次型boost變換器升壓因子。

改進(jìn)二次型boost變換器的優(yōu)點(diǎn)：改進(jìn)二次型boost變換器的升壓能力比二次型boost變換器有所提升，在相同升壓倍數(shù)時(shí)，所需的占空比減小。同時(shí)降低了開關(guān)器件的電流和電壓應(yīng)力，節(jié)約了器件的成本。缺點(diǎn)：增加了元器件的數(shù)量，帶來一定的能量損耗，并且電路的體積變大。

1.5 Z源升壓變換器

Z源升壓變換器電路拓?fù)淙鐖D6所示。其等效電路如圖7a）和圖7b）所示。

Z源變換器有兩種工作狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)管S1導(dǎo)通時(shí)，二極管D1關(guān)斷，電容給負(fù)載供電，輸出濾波電感電流減??；當(dāng)開關(guān)管S1關(guān)斷時(shí)，二極管D1導(dǎo)通，電源和電感共同給負(fù)載供電，輸出濾波電感電流增大。Z源升壓變換器的升壓因子。

Z源升壓變換器的優(yōu)點(diǎn)：其升壓因子在占空比小于0.5的情況下，任意直流電壓可以被完全輸出。在相同占空比的情況下，此變換器的輸出遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)boost變換器；電路簡(jiǎn)單，增加元器件少，有效地控制了成本的增加。

1.6 3?Z阻抗網(wǎng)絡(luò)升壓變換器

3?Z阻抗網(wǎng)絡(luò)升壓變換器電路拓?fù)湟妶D8。3?Z阻抗網(wǎng)絡(luò)升壓變換器有3個(gè)阻抗源網(wǎng)絡(luò)。由二極管D1，D2和D3以及電感組成第一個(gè)Z源網(wǎng)絡(luò)；由二極管D4，D5和電容以及開關(guān)管S1組成第二個(gè)Z源網(wǎng)絡(luò)；由電感和二極管D6，D7和D8組成第三個(gè)Z源網(wǎng)絡(luò)。第一個(gè)Z源網(wǎng)絡(luò)起第一級(jí)升壓作用，第三個(gè)Z源網(wǎng)絡(luò)起第二級(jí)升壓作用。3?Z阻抗網(wǎng)絡(luò)升壓變換器的升壓因子為。

3?Z阻抗網(wǎng)絡(luò)升壓變換器的優(yōu)點(diǎn)：相比于傳統(tǒng)boost，輸出電壓增益較高，理論可達(dá)350倍，且只用了一個(gè)開關(guān)管，解決了光伏電池輸出電壓低而需要高增益變換器的問題。

1.7 推挽式直流變換器

推挽式直流變換器的電路拓?fù)湟妶D9。推挽式直流變換器由兩個(gè)正激式變換器組成。開關(guān)管S1，S2在一個(gè)周期內(nèi)各自導(dǎo)通半個(gè)周期，交替給負(fù)載提供能量。當(dāng)推挽式變換器輸出采用橋式整流電路時(shí)，電路中的二極管所受的壓力只有全波電路的因而適用于高電壓輸出場(chǎng)合。

推挽式直流變換器的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)控制無需電氣隔離。缺點(diǎn)：開關(guān)管關(guān)斷的瞬間，由于開關(guān)管的結(jié)電容與變壓器漏感電流易發(fā)生振蕩，導(dǎo)致開關(guān)管承受很大的電壓沖擊，易致開關(guān)管損壞；變壓器容易偏磁，磁芯飽和。

1.8 移相全橋ZVZCS直流變換器

ZVZCS移相全橋變換器電路拓?fù)湟妶D10。移相全橋ZVZCS變換器采用零電壓、零電流開關(guān)移相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過開關(guān)管S1，S3上的電容實(shí)現(xiàn)超前橋臂零電壓開關(guān)；續(xù)流期間箝位電容上的電壓反射到變壓器的一側(cè)，再通過變壓器漏感，實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的零電流開關(guān)。移相全橋ZVZCS直流變換器的升壓因子

移相全橋ZVZCS直流變換器的優(yōu)點(diǎn)：二次側(cè)輔助電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；變換器可以在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超前橋臂的零電壓開關(guān)和滯后橋臂的零電流開關(guān)，整體變換效率較高，適用于大功率場(chǎng)合。移相全橋ZVZCS直流變換器的缺點(diǎn)：當(dāng)飽和電感工作在飽和以及不飽和狀態(tài)下時(shí)，高頻率工作時(shí)損耗較大，電感嚴(yán)重發(fā)熱，變換器損耗程度加深，轉(zhuǎn)換效率降低；由于飽和電感與最大輸入電壓有關(guān)，輸入電壓范圍較寬時(shí)，副邊占空比損失較多，進(jìn)而降低了效率值。

1.9 反激式變換器

反激式變換器電路拓?fù)湟妶D11。反激式式變換器有兩種狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)管S1導(dǎo)通時(shí)，初級(jí)繞組的感應(yīng)電壓上正下負(fù)，次級(jí)繞組的感應(yīng)電壓方向與初級(jí)繞組相反，二極管D0關(guān)斷，初級(jí)繞組中存儲(chǔ)能量；當(dāng)開關(guān)管S1截止時(shí)，初級(jí)繞組的感應(yīng)電壓上負(fù)下正，次級(jí)繞組的感應(yīng)電壓方向與初級(jí)繞組相反，初級(jí)繞組中存儲(chǔ)能量，通過次級(jí)繞組、二極管D0整流以及電容濾波后給負(fù)載供能。反激式變換器升壓因子。

反激式變換器的優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，效率高；適用于小功率多路輸出場(chǎng)合，與輸入電壓關(guān)系不大。缺點(diǎn)：輸出電壓波紋較大，一般達(dá)到1%；電壓負(fù)載調(diào)整率相對(duì)較低；處理功率較小，一般在150 W以下。

1.10 正激式變換器

正激式變換器電路拓?fù)湟妶D12。正激式變換器有兩種工作狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)S1導(dǎo)通時(shí)，變壓器繞組的電壓上正下負(fù)，與其耦合的繞組的電壓方向與相同。因此二極管D0處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電感的電流逐漸增長(zhǎng)；當(dāng)開關(guān)管S1關(guān)斷后，電感通過二極管D2續(xù)流，D0關(guān)斷，電感的電流逐漸下降。正激式變換器升壓因子。

正激式變換器的優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，銅耗較低；輸出電壓電流紋波較??；開關(guān)管應(yīng)力較小。

1.11 推挽正激式變換器

推挽正激式變換器電路拓?fù)湟妶D13。推挽正激式變換器的優(yōu)點(diǎn)：變壓器磁芯雙向磁化，具有較高的磁芯利用率；由于箝位電容的加入，抑制了開關(guān)管電壓尖峰與變壓器的偏磁，降低了開關(guān)管的電壓應(yīng)力，有利于開關(guān)管的選取，同時(shí)減小了輸入電流脈動(dòng)；采取電壓型控制方案，控制電路簡(jiǎn)單。

1.12 軟開關(guān)隔離式單級(jí)開關(guān)ZCS?ZVS變換器

隔離式單級(jí)開關(guān)ZCS?ZVS變換器電路拓?fù)湟妶D14。

軟開關(guān)隔離式單級(jí)開關(guān)ZCS?ZVS變換器有以下特點(diǎn)：開關(guān)的ZCS開通及ZVS關(guān)斷與電壓和負(fù)載的變化無關(guān)；可以實(shí)現(xiàn)所有二極管ZCS關(guān)斷；由于CCM操作，輸入電流紋波較??；由于磁化電流低，變壓器容量變??；適用于高電壓場(chǎng)合，效率高；與傳統(tǒng)反激變換器對(duì)比，具有成本低、功率密度大、效率高的特點(diǎn)。軟開關(guān)隔離式單級(jí)開關(guān)ZCS?ZVS變換器的升壓比為變壓器匝數(shù)比。

2 高增益DC?DC變換器的比較

前文對(duì)應(yīng)用于各個(gè)場(chǎng)合的高增益直流變換器進(jìn)行了分析，表1是對(duì)以上直流變換器之間的比較。endprint

通過表1可知，傳統(tǒng)boost變換器不適合高電壓場(chǎng)合，二次型boost變換器相比于傳統(tǒng)boost變換器，在相同的占空比下，升壓能力得到提升，但同時(shí)，電流、電壓的應(yīng)力同時(shí)提高，元器件的損耗加劇，壽命變短。正激式、反激式變換器雖然電路簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換效率高，但是必須要考慮抑制偏磁的問題，使得開關(guān)管的應(yīng)力降低。

3 結(jié) 語

直流變換器在光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛，隨著電力電子技術(shù)的大力發(fā)展，直流變換器今后的發(fā)展趨勢(shì)是小型化、高效化、高可靠性?？偟膩碚f，采用軟開關(guān)技術(shù)可以提高轉(zhuǎn)換效率，從而減小變換器的體積；在大功率變換中采用硬開關(guān)可降低電路的復(fù)雜度，從而節(jié)約成本。但是目前的直流變換器仍存在一些問題，如提高電壓增益的同時(shí)，電流、電壓應(yīng)力沒有改善等問題；半橋變換器、全橋變換器存在偏磁問題；推挽變換器輸出電壓增益高，無需驅(qū)動(dòng)電路隔離，但也存在變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大等缺陷。

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