基于耦合電感與倍壓電容的高增益Boost變換器*

戴云飛，祝龍記

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，光伏、燃料電池等新能源發(fā)電技術(shù)應(yīng)用占比越來越高，而新能源發(fā)電裝置的輸出電壓較低，無法直接實(shí)現(xiàn)逆變并網(wǎng)，因此需要通過Boost變換器來提升發(fā)電輸出電壓[1-3]。傳統(tǒng)的升壓變換器在占空比接近1時(shí)，才可以輸出較高的電壓。寄生電阻的存在導(dǎo)致輸出效率低、開關(guān)管的導(dǎo)通損耗較大。尖峰電壓的存在也會(huì)減少開關(guān)管的壽命。此外，輸出二極管反向恢復(fù)問題也會(huì)增加二極管的損耗，引起較大的電磁干擾，降低變換器的可靠性[4-6]。針對(duì)上述問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)得出了不少研究成果。文獻(xiàn)[7-9]中Boost變換器采用級(jí)聯(lián)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高了電壓增益，實(shí)現(xiàn)了輸入電流的連續(xù)，同時(shí)降低了開關(guān)管應(yīng)力，但級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含器件較多使得變換器的效率較低。文獻(xiàn)[10-11]的Boost變換器中電容兩端的電壓值和開關(guān)管的電流應(yīng)力有所降低，多個(gè)單元的結(jié)合進(jìn)一步降低了功率損耗，但電路同樣器件過多，控制復(fù)雜，且存在開關(guān)管電壓尖峰等缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[12]中變換器使用了兩只開關(guān)管來控制，實(shí)際上只有一個(gè)開關(guān)管參與了升壓，雖然提高了電壓增益，降低了電壓尖峰，解決了漏感能量回收問題，但變換器的效率不高。文獻(xiàn)[13]介紹了一種無源鉗位電路的高增益變換器實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓關(guān)斷，提高變換器的效率，同時(shí)可以加入倍壓?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)，來極大地提升輸出端電壓，但變換器中緩沖電路的無源器件過多導(dǎo)致輸出的功率密度有所下降。文獻(xiàn)[14-16]提出的三繞組耦合電感的變換器磁性元件體積較大，降低了功率密度，使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。

綜上所述，本文提出了一種單開關(guān)管控制、零電流開通Boost變換器。所提變換器采用無源無損鉗位電路降低了開關(guān)管電壓尖峰，同時(shí)減少了開關(guān)管損耗。耦合電感副邊繞組漏感解決輸出二極管的反向恢復(fù)問題。將所提變換器與傳統(tǒng)升壓變換器進(jìn)行了仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示增加倍壓電容和耦合電感之后，變換器的電壓增益和效率均得到了顯著提高[17-18]。

1 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

本文所提的Boost變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中Uin為輸入電壓源，S為功率開關(guān)管，耦合電感部分由原邊L1、副邊L2、勵(lì)磁電感Lm、漏感Ls構(gòu)成，iL1、iL2、iLm分別為流過L1、L2、Lm的電流。C1為儲(chǔ)能電容，C2和C3為倍壓電容，UC1、UC2、UC3分別為C1、C2、C3上的電壓。Da為鉗位二極管，Db、Dc為續(xù)流二極管，Do為輸出二極管，C0為輸出濾波電容，R為負(fù)載電阻。該變換器將兩個(gè)倍壓電容串聯(lián)在耦合電感副邊L2左右兩邊，Db、Dc分別并聯(lián)在兩個(gè)倍壓電容和L2的支路。由儲(chǔ)能電容C1和鉗位二極管Da構(gòu)成的鉗位電路對(duì)開關(guān)管S兩端電壓起鉗位作用，吸收并利用其能量，從而降低開關(guān)管電壓尖峰。

圖1 耦合電感倍壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

變換器中的耦合電感是一個(gè)由原邊電感L1和副邊電感L2構(gòu)成的理想變壓器，并聯(lián)上勵(lì)磁電感Lm，再串聯(lián)上漏感Ls，Ls為副邊漏感折算到原邊的漏感以及原邊漏感[17]。當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，電源給漏感Ls和勵(lì)磁電感Lm儲(chǔ)能，L2、C2與Db形成半諧振回路，L2、C3與Dc形成另一個(gè)半諧振回路。當(dāng)開關(guān)管S斷開時(shí)，電容C1、C2和C3、輸出二極管Do、耦合電感副邊L2和負(fù)載電阻R組成回路，為負(fù)載提供更高的電壓。

變換器的工作過程可以分為5個(gè)時(shí)間模態(tài)。變換器在各個(gè)時(shí)段內(nèi)各器件電流/電壓的主要波形如圖2所示，變換器在不同的工作狀態(tài)下的等效電路圖如圖3所示，其中加粗黑線為電流流經(jīng)回路。結(jié)合圖2和圖3對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行分析。

圖2 電路主要工作波形

(a)工作狀態(tài)1

模態(tài)1(t0-t1):開關(guān)管S在t0時(shí)刻導(dǎo)通，鉗位二極管Da和輸出二極管Do反向關(guān)斷，電源Uin、漏感Ls、勵(lì)磁電感Lm和開關(guān)管S構(gòu)成輸入電流回路，此時(shí)電源Uin為耦合電感的勵(lì)磁繞組Lm和漏感Ls充電，電流iLm和iLs線性上升，Lm的電壓和電流情況如式(1)、式(2)。耦合電感副邊L2與倍壓電容C2、續(xù)流二極管De形成回路，同時(shí)與倍壓電容C3、續(xù)流二極管Dc形成另一個(gè)回路，兩個(gè)倍壓電容電壓UC2、UC3開始升高。輸出電容C0看作一個(gè)穩(wěn)壓電源，一直為負(fù)載輸出穩(wěn)定的電壓。

ULm(t)=Vin

(1)

(2)

模態(tài)2(t1-t2):t1時(shí)刻，開關(guān)管S關(guān)斷，耦合電感L1由于電流下降，其感應(yīng)電壓UL1方向發(fā)生改變，當(dāng)UL1大于Da導(dǎo)通電壓時(shí)，Da導(dǎo)通。Ls和Lm給C1充電，C1開始儲(chǔ)能。t2時(shí)刻，iLs與iLm下降至相同時(shí)，流過電感L2的電流iL2下降為零，L2與C2、C3諧振結(jié)束。

模態(tài)3(t2-t3):由于L1的極性發(fā)生改變，L2極性也要發(fā)生改變，iL2也開始緩慢上升。輸出二極管Do的兩端電壓達(dá)到導(dǎo)通電壓時(shí)，Do導(dǎo)通。倍壓電容C2、C3和儲(chǔ)能電容C1，耦合電感勵(lì)磁電感Lm、副邊L2中儲(chǔ)存的能量開始向負(fù)載傳遞，負(fù)載兩端電壓U0如式(3)所示。iLs繼續(xù)下降直到為零。

U0=UC1+UC2+UC3+UL2

(3)

模態(tài)4(t3-t4):二極管Da在t3時(shí)刻反向關(guān)斷，此時(shí)，負(fù)載由C1、C2、C3和耦合電感的副邊L2提供能量，Lm中的能量向負(fù)載傳遞，iLm不斷地下降。

模態(tài)5(t4-t5):開關(guān)管S在t4時(shí)刻導(dǎo)通，L2持續(xù)為負(fù)載提供能量，由于Ls和Lm的存在，流過S的電流緩慢上升，直到Ls上的電流iLs和Lm上的電流iLm相等，iL2下降為零。輸出二極管Do上的電流也恢復(fù)到零，并無反向電流通過，一定程度上解決了二極管的反向恢復(fù)問題。電路變成了模態(tài)1，后面的狀態(tài)重復(fù)，不一一敘述。

從電路的工作狀態(tài)分析看出，耦合電感主要承擔(dān)能量的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)移，倍壓電容主要起電壓的疊加及升壓的作用，為負(fù)載電阻提供持續(xù)的能量輸出，同時(shí)提高了電壓增益。儲(chǔ)能電容吸收耦合電感的勵(lì)磁電感能量，來提高變換器的電壓增益，同時(shí)降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力和電壓尖峰。

2 增益變換器的性能分析

由于該變換器耦合電感副邊漏感的電流緩慢下降，抑制了輸出二極管Do的反向恢復(fù)問題，所以該變換器工作模態(tài)是處在連續(xù)導(dǎo)通模式下的，下面對(duì)電路的電壓增益、電壓應(yīng)力進(jìn)行分析。

2.1 電壓增益的計(jì)算過程

工作狀態(tài)1、3為主要工作狀態(tài)，工作狀態(tài)2、4、5為過渡工作狀態(tài)，所以在計(jì)算時(shí)選取工作狀態(tài)1、3的過程。由工作狀態(tài)1電路分析，直流電源給勵(lì)磁電感Lm和漏感Ls充電，可得出勵(lì)磁電感兩端電壓為Vin。

耦合電感副邊繞組L2為勵(lì)磁電感L1的N倍如式(4)，L2同時(shí)與倍壓電容C2、C3發(fā)生諧振，兩個(gè)倍壓電容兩端的電壓等于L2兩端電壓如式(5)。

UL2=NUin

(4)

UC1=UC2=UL2=NUin

(5)

式(4)中，N為耦合電感副邊和原邊匝數(shù)比。

工作狀態(tài)3中，負(fù)載電阻由輸入電壓源Uin、儲(chǔ)能電容C1、倍壓電容C2、C3和耦合電感L1、L2持續(xù)輸入能量，可以得出勵(lì)磁電感兩端的電壓:

(6)

根據(jù)式(6)，結(jié)合勵(lì)磁電感Lm的伏秒平衡原理，可以得出:

(7)

其中，ts為變換器工作一個(gè)周期的時(shí)間。

由此得出變換器的電壓增益為

(8)

從式(8)的電壓增益可知，與傳統(tǒng)的升壓變換器相比，采用倍壓電容與耦合電感的設(shè)計(jì)，較大地提高了變換器的輸出電壓。根據(jù)式(8)繪制了不同占空比、不同匝數(shù)比的電壓增益曲線，如圖4所示。隨著匝數(shù)的增加或占空比的增加，電壓增益都會(huì)大大增加。利用該變換器來解決極限占空比的問題，并且設(shè)計(jì)合適的匝數(shù)比，來優(yōu)化該變換器的負(fù)載調(diào)節(jié)性能。圖4同時(shí)顯示了所提變換器中耦合電感隨著匝數(shù)比N不斷地改變時(shí)，占空比對(duì)電壓增益的影響。該變換器在相同占空比時(shí)，匝數(shù)比N與電壓增益成正比，電壓增益的范圍也增大了。

圖4 占空比、匝數(shù)與電壓增益關(guān)系

2.2 電壓應(yīng)力的分析

由工作狀態(tài)3的電路分析，由于L1、S、Da及C1組成一個(gè)傳統(tǒng)的Boost變換器，儲(chǔ)能電容C1的電壓如式(9)，忽略鉗位二極管的壓降，開關(guān)管S的電壓鉗位在儲(chǔ)能電容的電壓UC1，所以可以得出開關(guān)管S電壓應(yīng)力為

(9)

(10)

開關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，S的兩端電勢(shì)為零，因此鉗位二極管Da兩端電壓即為儲(chǔ)能電容兩端最大電壓:

(11)

耦合電感副邊L2為兩個(gè)倍壓電容充電，工作狀態(tài)3時(shí)兩個(gè)續(xù)流二極管反向關(guān)斷，其電壓與UDb、UDc相等，都為

UDb=UDc=UsDb.max=UsDc.max=

(12)

當(dāng)U0一定時(shí)，占空比和耦合電感匝數(shù)比共同影響著開關(guān)管S和二極管的電壓應(yīng)力。假設(shè)D取定值時(shí)，匝數(shù)比越大，S和Da兩端的電壓應(yīng)力越小，同時(shí)續(xù)流二極管兩端的電壓越大。因此，該變換器中耦合電感匝數(shù)比不應(yīng)太大。

3 仿真結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證所提變換器可以實(shí)現(xiàn)高電壓增益、高效率，在Matlab中搭建了耦合電感倍壓電容Boost變換器和傳統(tǒng)Boost變換器的仿真模型，將兩種變換器模型進(jìn)行了對(duì)比。

Boost變換器參數(shù)為:輸入電壓Uin=50 V，耦合電感的原、副邊電感分別為L1=35 mH、L2=35 mH；耦合電感的匝數(shù)比N=1；儲(chǔ)能電容C1=500 μF；兩個(gè)倍壓電容的容值相等，C2=C3=47 μF；輸出電容C0=100 μF；輸出負(fù)載R=500 Ω；開關(guān)頻率f=50 kHz。傳統(tǒng)Boost變換器中的相關(guān)參數(shù)相同，與所提變換器進(jìn)行對(duì)比分析。

將變換器的占空比設(shè)置為D=0.6，分別得出了兩種變換器仿真模型的輸出電壓波形(圖5)。從圖5(a)和圖5(b)對(duì)比看出，在兩個(gè)占空比相等情況下，傳統(tǒng)升壓變換器的輸出電壓最終穩(wěn)定在 148.3 V，升壓約為3倍，而耦合電感倍壓電容Boost變換器的輸出電壓最終穩(wěn)定在293.8 V，升壓約為6倍。在相同的工作條件下，所提變換器趨于穩(wěn)定電壓的時(shí)間更短。

(a)傳統(tǒng)升壓變換器U0電壓波形

將圖6(a)、圖6(b)波形進(jìn)行對(duì)比，本文變換器的開關(guān)管電壓尖峰要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)變換器，得出該變換器可以降低開關(guān)管電壓尖峰。由圖6(b)、圖6(c)開關(guān)管的電壓、電流波形看出：開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，流過開關(guān)管的電流緩緩上升，此時(shí)，開關(guān)管兩端的電壓為零，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電流開通。從圖6(a)、圖6(c)看出：傳統(tǒng)Boost變換器無法實(shí)現(xiàn)零電流開通。由圖6(e)的波形看出，流過輸出二極管Do的電流緩慢恢復(fù)到零，沒有反向電流的流過，一定程度上解決了二極管的反向恢復(fù)問題。

(a)傳統(tǒng)變換器開關(guān)管S的電壓波形

圖7顯示了兩種變換器在不同輸出功率時(shí)的效率曲線。當(dāng)變換器的功率在0～300 W間改變時(shí)，所提變換器的效率能達(dá)到94.33%，而傳統(tǒng)變換器最大為92%，變換器效率有一定的提高。

圖7 Boost變換器輸出效率對(duì)比

4 結(jié)束語

提出了一種倍壓?jiǎn)卧詈想姼懈咴鲆鍮oost變換器，通過Matlab仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該變換器的高增益和高輸出效率。該變換器只使用一個(gè)開關(guān)管，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，可靠性好。變換器采用耦合電感和倍壓?jiǎn)卧M成電路，合理調(diào)節(jié)耦合電感的匝數(shù)比，來實(shí)現(xiàn)輸出電壓的高增益。鉗位電路的增加，吸收了漏感的能量，基本消除了開關(guān)管的電壓尖峰。此外，該變換器也解決了輸出二極管的反向恢復(fù)問題。本文電路器件不多，控制簡(jiǎn)單，可應(yīng)用于光伏、風(fēng)力發(fā)電等新能源發(fā)電系統(tǒng)的耦合電感升壓變換器。

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