一類耦合電感-二極管-電容組合的高增益DC-DC變換器

榮德生， 陳靚， 孫瑄瑨， 寧博

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司葫蘆島供電公司，遼寧 葫蘆島 125105)

0 引 言

隨著光伏發(fā)電技術(shù)[1]不斷推廣和應(yīng)用，其核心部件DC-DC變換器的高效高增益[2-4]的研究，逐漸成為光伏發(fā)電系統(tǒng)[5]研究的熱點(diǎn)。

目前實(shí)現(xiàn)DC-DC變換器高增益的技術(shù)方向[6-9]多種多樣。其中含耦合電感變換器[10-16]是升壓變換器的一大典型類別，在提高了電壓增益的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)輸出的靈活性和可控性，時(shí)下應(yīng)用廣泛。但該類變換器由于漏感的存在，實(shí)現(xiàn)高增益的同時(shí)，降低了變換器的工作效率；且傳統(tǒng)的單一耦合結(jié)構(gòu)會(huì)與寄生電容發(fā)生諧振，造成瞬間的尖峰電壓，不但增加開關(guān)管電壓應(yīng)力，還會(huì)影響變換器乃至發(fā)電系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

圍繞如何解決上述問題，學(xué)者們開展了一系列的研究：文獻(xiàn)[10]在單一的耦合結(jié)構(gòu)上提出雙耦合設(shè)想，能夠提高變換器增益，但無法改善原有的漏感問題；文獻(xiàn)[11-12]不拘泥于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合開關(guān)電容與耦合電感變換器，進(jìn)一步提高電壓增益，但不可避免地增加了磁件設(shè)計(jì)的難度；文獻(xiàn)[13]基于傳統(tǒng)耦合電感網(wǎng)絡(luò)，并引入三電平思想，提高了電壓增益，仍缺乏對開關(guān)管電壓應(yīng)力的有效降低手段；文獻(xiàn)[14]針對耦合電感型Boost變換器引入鉗位、整流單元等技術(shù)，初步解決了耦合電感的漏感問題，但缺少具體的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用分析；文獻(xiàn)[15]在文獻(xiàn)[14]的基礎(chǔ)上進(jìn)一步系統(tǒng)闡述耦合電感變換器的各類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，剖析內(nèi)在聯(lián)系，其中重點(diǎn)對有源鉗位的改進(jìn)方式，采用能量吸收支路的思路；文獻(xiàn)[16]對文獻(xiàn)[15]中提出的耦合電感變換器詳細(xì)解析，提出耦合電感倍壓單元結(jié)構(gòu)，引入一般變換器提高其增益，但仍做不到無損吸收漏感能量。

本文在文獻(xiàn)[9]所提基本耦合電感Boost變換器的基礎(chǔ)上，分析耦合電感類DC-DC變換器的構(gòu)成。將耦合電感副邊與一組二極管-電容(D-C)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合得到副邊倍壓結(jié)構(gòu)，再將該結(jié)構(gòu)與開關(guān)電容結(jié)構(gòu)相結(jié)合，即可得到耦合電感-二極管-電容組合結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上拓展出一類耦合電感-二極管-電容組合的高增益DC-DC變換器，這一類變換器在實(shí)現(xiàn)變換器高增益變換的同時(shí)，利用結(jié)構(gòu)中一個(gè)D-C支路為鉗位吸收支路，抑制由于漏感與開關(guān)器件寄生電容諧振所產(chǎn)生的電壓沖擊。以其中一種采用該單元結(jié)構(gòu)的變換器為例，詳細(xì)分析該結(jié)構(gòu)變換器在CCM(continuous conduction mode，CCM)模式和DCM(discontinuous conduction mode，DCM)模式下變換器的工作原理，最終通過仿真與搭建實(shí)驗(yàn)機(jī)對理論進(jìn)行驗(yàn)證。

1 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提出

1.1 耦合電感Boost變換器組成

文獻(xiàn)[5]所提的基本耦合電感Boost變換器如圖1所示，該變換器由三部分組成：帶有耦合電感原邊的前級儲能結(jié)構(gòu)、帶有耦合電感副邊的倍壓結(jié)構(gòu)以及二極管電容(DC)輸出結(jié)構(gòu)。

圖1 基本耦合電感Boost變換器

對于具有耦合電感的升壓DC-DC變換器來說，其均可由上述三種結(jié)構(gòu)組合而來。其中，耦合電感倍壓結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)變換器高增益變換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.2 耦合電感-二極管-電容組合的高增益DC-DC變換器的構(gòu)造思路

構(gòu)建耦合電感-二極管-電容組合的高增益DC-DC變換器，從以下三部分進(jìn)行分析：

1)前級儲能結(jié)構(gòu)。

對于耦合電感PWM型變換器來說，據(jù)耦合電感原邊n1和開關(guān)管S位置的不同，可以簡單地分為Boost型和Buck-Boost型兩種結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 兩種前級結(jié)構(gòu)

根據(jù)不同的前級結(jié)構(gòu)，即可對后級耦合電感倍壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2)耦合電感-二極管-電容組合結(jié)構(gòu)。

由于耦合電感副邊n2的能量是由原邊n1儲能得到的，故其可與一組二極管-電容(D-C)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，得到副邊組合結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。再將該結(jié)構(gòu)與開關(guān)電容結(jié)構(gòu)相結(jié)合，即可得到耦合電感-二極管-電容組合結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)利用耦合電感漏感抑制了開關(guān)電容中較大電流沖擊，同時(shí)還可以利用開關(guān)電容中結(jié)構(gòu)中的一個(gè)的D-C支路作為耦合電感的鉗位吸收支路，抑制了因漏感產(chǎn)生的開關(guān)管兩端較大的電壓沖擊。

以一種常見的“X型”開關(guān)電容結(jié)構(gòu)為例，依據(jù)上述思想，引入副邊組合結(jié)構(gòu)，得到一種耦合電感-二極管-電容組合結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示。其中，二極管D2-C1為開關(guān)管的鉗位支路。

圖3 耦合電感-二極管-電容組合結(jié)構(gòu)構(gòu)成

3)D-C輸出結(jié)構(gòu)。

變換器的輸出D-C結(jié)構(gòu)根據(jù)輸出二極管方向，可分為同向輸出型以及反向輸型，兩種結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 兩種輸出結(jié)構(gòu)

將上述三個(gè)部分選取合適結(jié)構(gòu)進(jìn)行級聯(lián)，即可構(gòu)造出高增益耦合電感-二極管-電容組合的耦合電感高增益變換器。

1.3 一類耦合電感-二極管-電容組合的高增益DC-DC變換器

依據(jù)1.2節(jié)的構(gòu)造思路，可提出一系列的耦合電感-二極管-電容組合的耦合電感高增益變換器。根據(jù)不同的前級結(jié)構(gòu)，可分為Boost型變換器族和Buck-Boost型變換器族，對應(yīng)的兩類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5、圖6所示。

圖5 高增益耦合電感Boost變換器族

圖6 高增益耦合電感Buck-Boost變換器族

2 變換器拓?fù)浞治?/h2>

選取圖5(a)中的I型高增益耦合電感Boost變換器結(jié)構(gòu)做具體的拓?fù)浞治觯涞刃ЫY(jié)構(gòu)如圖7所示。其中耦合電感結(jié)構(gòu)由耦合電感漏感Lk，勵(lì)磁電感Lm，以及匝比N=n2/n1的理想變壓器組成。

圖7 變換器的等效電路圖

2.1 工作原理

為便于變換器工作原理分析，有以下假設(shè)：

1)開關(guān)管、二極管為理想器件，導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間為0、導(dǎo)通壓降為0；

2)電容為理想器件，忽略電容的紋波電壓；

3)考慮耦合電感漏感Lk對變換器性能的影響，耦合系數(shù)k=Lm/(Lm+Lk)、耦合電感匝比N=n2/n1。

2.1.1 CCM模式

當(dāng)變換器一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，勵(lì)磁電感電流連續(xù)，即變換器工作在CCM模式下。此時(shí)共存在5種工作模態(tài)，其基本波形如圖8所示，對應(yīng)的工作模態(tài)如圖9所示。

圖8 CCM工作模態(tài)基本波形

圖9 變換器CCM工作模態(tài)

工作模態(tài)1[t0，t1]：開關(guān)管S開通，二極管D1，D2，D3截止，Do導(dǎo)通；電源通過S為電感Ln1儲能，勵(lì)磁電感電流iLm及漏感電流iLk增加；耦合電感的二次側(cè)經(jīng)C1，C2過S與D3為負(fù)載供電。

工作模態(tài)2[t1，t2]：由于較小的漏感該階段時(shí)間短，S關(guān)斷，二極管D2，Do導(dǎo)通，D1，D3截止；漏感Lk，C3放電給C1，其電流快速下降，將開關(guān)管S的端電壓鉗位于VC1-VC3；同時(shí)，輸入電源同耦合電感二次側(cè)過C2為負(fù)載供電。至t2時(shí)刻，電流iLn2下降為零，Do關(guān)斷，模態(tài)結(jié)束。

工作模態(tài)3[t2，t3]：開關(guān)管仍關(guān)斷，二極管D1，D2導(dǎo)通，D3，Do截止；漏感Lk與電容C3為C1充電，電流iLk與電流iD2持續(xù)下降；輸入Vin串聯(lián)耦合電感原副邊通過D1共同為電容C2充電，電流iD1自零線性上升；電容Co為負(fù)載供電。至t3時(shí)刻，電流iLD2下降為零，D2關(guān)斷，模態(tài)結(jié)束。

工作模態(tài)4[t3，t4]：，開關(guān)管S繼續(xù)關(guān)斷，二極管D1，Do截止，D2，D3導(dǎo)通；輸入Vin串聯(lián)耦合電感原副邊仍為C2充電；耦合電感副邊Ln2通過D3放電給電容C3；此時(shí)，電感L1經(jīng)過D1為電容C3充電；電容Co持續(xù)為負(fù)載供電。

工作模態(tài)5[t4，t5]：此段極小時(shí)間內(nèi)S導(dǎo)通，二極管D2，Do截止，D1，D3導(dǎo)通；輸入電源Vin為電感Ln1儲能，一次側(cè)電流線性上升；耦合電感副邊仍為電容C3放電；電容Co依舊提供負(fù)載供電。至t5時(shí)刻，二次側(cè)電流下降為零，D3關(guān)斷。

2.1.2 DCM模式

當(dāng)變換器一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，勵(lì)磁電感電流斷續(xù)，即變換器工作在DCM模式下。此時(shí)共存6種工作模態(tài)，對應(yīng)工作模態(tài)如下圖10所示，其基本波形如圖11所示。

圖10 變換器DCM工作模態(tài)

圖11 DCM工作模態(tài)基本波形

其中，工作模態(tài)2[t1，t2]與工作模態(tài)3[t2，t3]同CCM模式下的一致，不再具體贅述。

工作模態(tài)1[t0，t1]：開關(guān)管S開通，二極管D1，D2，D3截止，Do導(dǎo)通；電源通過S電感為Ln1儲能，勵(lì)磁電感電流iLm及漏感電流iLk增加；耦合電感的二次側(cè)經(jīng)C1，C2過S與D3為負(fù)載供電，電流iDo自零線性上升。

工作模態(tài)4[t3，t4]：開關(guān)管S繼續(xù)關(guān)斷，二極管Do，D2截止，D1，D3導(dǎo)通；輸入Vin串聯(lián)耦合電感原副邊過二極管D1為C2充電，iD1線性下降；耦合電感副邊Ln2通過D3放電給電容C3；電容Co持續(xù)為負(fù)載供電。至t4時(shí)刻，電流iD1下降為零，D1關(guān)斷，模態(tài)結(jié)束。

工作模態(tài)5[t4，t5]：開關(guān)管S繼續(xù)關(guān)斷，二極管D1，D2，Do截止，D3導(dǎo)通；耦合電感副邊Ln2通過D3放電給電容C3，電流iD3線性下降；電容Co依舊提供負(fù)載供電。至t5時(shí)刻，電流iD3下降為零，模態(tài)結(jié)束。

工作模態(tài)6[t5，t6]：開關(guān)器件均關(guān)斷，此時(shí)電感電流斷續(xù)模態(tài)，勵(lì)磁電感Lm、漏感Lk不再釋放能量，電容Co依舊提供負(fù)載供電。

2.2 變換器穩(wěn)態(tài)分析

1)性能分析。

經(jīng)上節(jié)對變換器在CCM模型下的模態(tài)分析，對穩(wěn)態(tài)分析時(shí)可忽略時(shí)間較小的過渡模態(tài)，即不考慮模態(tài)2和模態(tài)5。

工作模態(tài)1各回路電壓關(guān)系為：

(1)

工作模態(tài)3各回路電壓方程為：

(2)

對應(yīng)工作模態(tài)4存在如下電壓關(guān)系：

(3)

基于上述電壓關(guān)系，根據(jù)電感電壓伏秒積面積平衡原理可得變換器的電壓增益

(4)

設(shè)k=1，各電容、二極管器件電壓應(yīng)力如下：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

開關(guān)管S的電壓應(yīng)力為

(11)

2)臨界電感值的計(jì)算。

在DCM模式下，忽略漏感對變換器影響的短時(shí)間模態(tài)，變換器的主要電流波形如下圖12所示。此外，令占空比DL=D2+D3，為勵(lì)磁電感Lm下降至零的占空比。

圖12 DCM工作模態(tài)基本波形

設(shè)勵(lì)磁電感電流iLm的峰值為

(12)

得到各二極管的平均電流如下：

(13)

(14)

(15)

k=1時(shí)，根據(jù)電容的安秒平衡原理，各二極管的平均電流等于輸出電流Io，得電壓增益為

(16)

引入勵(lì)磁電感時(shí)間常數(shù)，表示為

(17)

得占空比DL的表達(dá)式

(18)

將式(18)回代式(16)，得變換器C-DCM模式的電壓增益

(19)

當(dāng)變換器處于BCM模式，可推臨界勵(lì)磁電感時(shí)間常數(shù)為

(20)

根據(jù)時(shí)間常數(shù)表達(dá)式，對應(yīng)臨界勵(lì)磁電感τLmB與占空比D的關(guān)系曲線如圖13所示。當(dāng)τLm>τLmB時(shí)，變換器工作在C-CCM模式，反之，變換器則處于C-DCM模式。

圖13 臨界勵(lì)磁電感時(shí)間常數(shù)τLmB與占空比D(N=2)

3 變換器性能對比

將圖5中本文提出的 I型變換器與常見的幾類變換器對比，幾種變換器的性能參數(shù)如表1所示。

表1 變換器參數(shù)對比

以耦合電感的匝比N=2的固定情況為參考，上述四種變換器的增益對比曲線如圖14，變換器的開關(guān)管電壓應(yīng)力對比曲線如圖15。

圖14 變換器增益對比圖

圖15 開關(guān)管S電壓應(yīng)力對比圖

由圖14可知，本文所提高增益Boost型變換器性能在現(xiàn)有幾大類變換器的基礎(chǔ)上明顯提升電壓增益。而由圖15可知，單元化改善的耦合電感變換器的電壓應(yīng)力最小，實(shí)際應(yīng)用時(shí)能夠選取電壓應(yīng)力更低的MOSFET器件。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

對于耦合電感高增益型DC-DC變換器來說，在CCM模式下變換器具有較小的電流紋波，對輸出電容要求相對較低，有利于降低電容的容量與體積。故在進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)中，采用CCM工作模式。

4.1 仿真驗(yàn)證

為初步驗(yàn)證上節(jié)理論分析，利用PSIM仿真軟件，對圖5中本文提出的I型變換器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。變換器的控制環(huán)路采用C Block模塊實(shí)現(xiàn)，設(shè)置變換器參數(shù)如下：輸入電壓Vin=20 V，輸出電壓Vo=200 V，功率為150 W，耦合電感匝比n=2，開關(guān)頻率f=50 kHz，電容C1=C2=C3=Co=100 μH，勵(lì)磁電感Lm=60 μH，漏感Lk=1.8 μH。

變換器的電壓仿真波形如圖16所示，可以看出，在輸出電壓為200 V的情況下，開關(guān)管S的電壓應(yīng)力僅約43.7 V，變換器占空比D約為0.51，在高增益的情況下保持較低的電壓應(yīng)力，各個(gè)二極管電壓應(yīng)力也均小于輸出電壓。

圖16 變換器電壓仿真波形

變換器電流仿真波形如圖17所示?？梢钥闯?，耦合電感原、副邊電流波形變化趨勢與理論分析相符。二極管D2實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷，二極管D1、D3、Do實(shí)現(xiàn)了零電流導(dǎo)通。

圖17 變換器電流仿真波形

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對提出的高增益變換器設(shè)計(jì)理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，搭建一個(gè)150 W的樣機(jī)，如圖18所示。詳細(xì)的參數(shù)見下表2。

表2 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)

圖18 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)平臺

如圖19所示，為變換器輸出電壓與開關(guān)管應(yīng)力，其中變換器的輸出電壓約200 V，滿足理論分析的高增益；同時(shí)，開關(guān)管S的電壓應(yīng)力僅約為43 V，實(shí)現(xiàn)了較低低電壓應(yīng)力，與仿真一致。

圖19 變換器輸出電壓與開關(guān)管電壓應(yīng)力波形圖

各開關(guān)器件的電壓應(yīng)力如圖20中波形所示。由上下圖知，二極管D2的電壓應(yīng)力約為43 V與開關(guān)管S相同；另外，D1、Do的電壓應(yīng)力相同，約為117 V；二極管D3為76 V。圖中波形均符合理論分析，在電壓應(yīng)力參數(shù)上各個(gè)器件均具有良好表現(xiàn)。

圖20 變換器功率器件電壓應(yīng)力波形圖

此外，變換器的各器件電流波形如圖21，其中圖21(a)為變換器一次側(cè)漏感和副邊電流波形圖，圖21(b)～圖21(c)為二極管電流波形圖。可以看出，二極管D2實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷，二極管D1，D3，Do實(shí)現(xiàn)了零電流導(dǎo)通，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真一致。

圖21 變換器電流波形圖

圖22所示為本文所提變換器與表1中的幾類常見升壓變換器在20 V輸入200 V輸出情況下的參考效率曲線?？梢钥闯霰疚乃嶙儞Q器在由于具有較高的電壓增益且共用漏感吸收回路，變換器整體效率較高，在110 W左右達(dá)到最高效率約為93.7%。由于變換器均采用手工制板，變換器效率還可進(jìn)一步優(yōu)化。

圖22 變換器效率曲線對比

5 結(jié) 論

本文對基本耦合電感Boost變換器進(jìn)行改造，通過添加多個(gè)輔助D-C支路，進(jìn)一步推演出一系列耦合電感-二極管-電容組合的高增益DC-DC變換器，該變換器具有以下特點(diǎn)：

1)通過組合D-C支路，變換器的電壓增益明顯提升且增益可通過耦合電感匝比n靈活調(diào)節(jié)；

2)利用其中一個(gè)D-C為無源鉗位支路，吸收漏感能量并在主開關(guān)管關(guān)斷后，對其電壓進(jìn)行鉗位，開關(guān)管具有較低的電壓應(yīng)力；

3)拓展出兩類耦合電感-二極管-電容組合的高增益DC-DC變換器，分別為Boost型族和Buck-Boost型族，可應(yīng)用于各種高效高增益場合。