一種三電平高增益DC-DC變換器

張超蘭，陳樂朋，潘迦藍

（三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

隨著人類社會和科學(xué)技術(shù)的不斷進步，光伏發(fā)電因具備分布廣泛、無污染等優(yōu)點，成為研究熱點[1-3]。受光電池自身性能的限制，單光電池板的輸出電壓一般為30～50 V，而并網(wǎng)輸入電壓為380～400 V。因此，具有高升壓能力的DC-DC變換器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中具有重要作用[4]。

傳統(tǒng)Boost變換器可通過增大主開關(guān)的占空比提升輸出電壓增益。但是，當(dāng)主開關(guān)的占空比過大時，將導(dǎo)致開關(guān)管的電壓應(yīng)力增加，從而增大開關(guān)器件的損傷和開關(guān)損耗，降低變換器的效率和穩(wěn)定性[5]。因此，提出了一種基于開關(guān)電容結(jié)構(gòu)的DC-DC變換器，通過增加開關(guān)電容單元的數(shù)量提升輸出電壓增益，但開關(guān)電容單元的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需配備相應(yīng)的輔助元件，大大增加了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略的復(fù)雜度，同時在開關(guān)狀態(tài)切換時易產(chǎn)生電流尖峰，損害元器件[6]。基于此，本文提出了一種新型三電平高增益DC-DC變換器，具有電路拓?fù)浜唵巍㈤_關(guān)管電壓應(yīng)力低、輸出電壓增益高及控制簡單等優(yōu)點。

1 工作原理

圖1為三電平高增益DC-DC變換器的電路拓?fù)洹楹喕治鲞^程，作出如下假設(shè)：電路中的所有元器件均為理想器件，不考慮寄生參數(shù)；電容C1、C2為無窮大，且電容電壓不變；電感電流連續(xù)，開關(guān)管Q1和Q2、Q3和Q4交錯開通和關(guān)斷，驅(qū)動信號反相。

圖1 三電平高增益DC-DC變 換器

變換器在一個工作周期T內(nèi)有四個工作模態(tài)，變換器穩(wěn)定工作時的主要波形和各模態(tài)的等效電路分別如圖2和圖3所示。

圖2 變換器穩(wěn)定工作時的主要波形

變換器的工作過程如下

模態(tài)一[t0～t1]：開關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4導(dǎo)通，二極管 D1、D2、D3、D4反向截止，電源Ui給電感L1、L2充電，電感電流線性上升，電容C3對負(fù)載RL供電，此時有：

其中，Ui為變換器的輸入電壓，UL1、UL2分別為電感L1、L2的兩端電壓，UC3為電容C3的兩端電壓。

模態(tài)二[t1～t2]：開關(guān)管Q1、Q4關(guān)斷，Q2、Q3導(dǎo)通；二極管D1、D3導(dǎo)通，D2、D4反向截止；電源Ui與電感L1串聯(lián)對電容C1充電，電源Ui與電感L2串聯(lián)對電容C2充電，流過電感L1、L2的電流線性下降，電容C3對負(fù)載RL供電，此時有：

其中，UC1、UC2分別為電容C1、C2的兩端電壓。

模態(tài)三[t2～t3]：開關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4導(dǎo)通，二極管 D1、D2、D3、D4反向截止，電源Ui給電感L1、L2充電，電感電流線性上升，電容C3對負(fù)載RL供電。

模態(tài)四[t3～t4]：開關(guān)管Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3關(guān)斷；二極管D2、D4導(dǎo)通，D1、D3反向截止；電源Ui與電感L1、L2，電容C1、C2串聯(lián)向負(fù)載RL和電容C3供電，此時有：

其中，UO為變換器的輸出電壓。

2 性能分析

2.1 電壓增益

設(shè)開關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4的占空比為D，根據(jù)電感L1的伏秒平衡可得：

聯(lián)立式（1）、式（3）、式（5）及式（6），可得：

根據(jù)式（7）可知，變換器的輸出電壓增益為：

2.2 開關(guān)管電壓應(yīng)力

設(shè)開關(guān)管 Q1、Q2、Q3、Q4的電壓應(yīng)力分別為根據(jù) KVL，可知：

聯(lián)立式（3）、式（7）及式（9），可得：

聯(lián)立式（1）、式（3）、式（4）、式（7）及式（10），可得：

聯(lián)立式（3）、式（7）及式（9），可得：

聯(lián)立式（1）、式（3）、式（4）、式（7）及式（12），可得：

圖3 各模態(tài)等效電路

設(shè)二極管 D1、D2、D3、D4的電壓應(yīng)力分別為UD1、UD2、UD3、UD4，根據(jù)各模態(tài)等效電路可知，在模態(tài)一和模態(tài)三時，有：

聯(lián)立式（1）、式（3）、式（4）、式（7）、式（17）及式（18），可得：

在模態(tài)二時，有：

聯(lián)立式（1）、式（3）、式（4）、式（7）、式（20）及式（21），可得：

在模態(tài)四時，有：

聯(lián)立式（1）、式（3）、式（4）、式（7）、式（23）及式（24），可得：

傳統(tǒng)Boost變換器主開關(guān)管的電壓應(yīng)力為：

可見，相較于傳統(tǒng)Boost變換器，本文提出的三電平高增益DC-DC變換器的開關(guān)管電壓應(yīng)力顯著降低。

2.3 飛跨電容電壓

設(shè)飛跨電容C1、C2兩端電壓分別為UC1、UC2。聯(lián)立式（1）、式（3）、式（4）及式（7），可得：

3 仿真驗證

為驗證本文所提三電平高增益DC-DC變換器的可行性，利用PSIM軟件進行仿真，變換器的具體參數(shù)如表1所示。

表1 變換器具體參數(shù)

變換器穩(wěn)定工作時的PSIM仿真波形如圖4所示。圖4（a）為變換器的輸入電壓Ui、輸出電壓UO和輸出電流IO的波形。根據(jù)式（7），可算出變換器的輸出電壓UO=700 V。圖 4（b）為開關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4的電壓波形，根據(jù)式（13）～式（16），可算出開關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4的電壓應(yīng)力均為200 V。圖4（c）為二極管D1、D2、D3、D4的電壓波形，根據(jù)式（19）、式（22）及式（25），可算出二極管D1、D2、D3、D4的電壓應(yīng)力均為200 V。圖4（d）為飛跨電容C1、C2的電壓波形，根據(jù)式（27）可算出UC1=UC2=200 V。根據(jù)仿真波形可看出，本文所提三電平高增益DC-DC變換器的仿真結(jié)果與理論分析基本一致。

圖4 PSIM仿真波形

4 結(jié) 論

理論分析與仿真結(jié)果表明，該變換器的電路拓?fù)浜涂刂撇呗院唵?，不含耦合電感等器件，無需添加復(fù)雜的輔助電路，設(shè)計成本低，且實現(xiàn)了輸入、輸出電壓高增益，同時開關(guān)管電壓應(yīng)力低。因此，該變換器適用于大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)。