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(yùn)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(jí)聯(lián)型Boost升壓變換器,，但所用功率器件多,，效率低下，且后級(jí)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(jí)聯(lián)型升壓變換器前一級(jí)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(lái)提高輸出電壓增益,，但這樣會(huì)導(dǎo)致耦合電感漏感增加，進(jìn)而使得開關(guān)管關(guān)斷時(shí)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(huì)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(guò)對(duì)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(gè)磁芯上，組成耦合電感,。

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、C_C很大,，其電壓紋波可以忽略不計(jì),；(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(shí),，在一個(gè)開關(guān)周期T_S內(nèi)共有2個(gè)開關(guān)模態(tài)，各個(gè)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(guò)程如下所述。

    (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C_C和耦合電感L₁,、L₂并聯(lián)充電,，與此同時(shí)，C₁,、C_C,、C₂、C₀形成串聯(lián)回路,，C₁,、C₂放電，C₀,、C_C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C_C串聯(lián)放電，C₁,、C₂并聯(lián)充電,，輸出電容C₀對(duì)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(shí),，L₁,、L₂、C_C并聯(lián)充電,，同時(shí)C₁,、C₂串聯(lián)放電。

    此時(shí)耦合電感L₁,、L₂的電壓為：

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

    此時(shí)耦合電感L₁,、L₂的電壓為：

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：

    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(gè)電路的效率和可靠性，降低電路的成本,。

2.3 各項(xiàng)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(xiàng)性能參數(shù)的對(duì)比，其中M為變換器輸出電壓增益,，U_S-stress為開關(guān)管電壓應(yīng)力,，U_D-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(jí)、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(duì)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。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

    為了驗(yàn)證以上分析的正確性,，搭建了一臺(tái)200 W的原理樣機(jī),，實(shí)驗(yàn)所需主電路參數(shù)如表2所示，所測(cè)得的波形如圖5所示,。

    由圖5(c)可見,，當(dāng)占空比約為0.7時(shí),，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,、C_C的電壓與理論計(jì)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(jì)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?yàn)橹谱麟姼袝r(shí)L₁、L₂會(huì)有一定的誤差,，導(dǎo)致L₁大于L₂,。上述波形在開關(guān)管動(dòng)作時(shí)均會(huì)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(shí)效率最高，為90.8%,。

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(diǎn),，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論分析的正確性,。該拓?fù)渫ㄟ^(guò)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(jiǎn)單,，采用單開關(guān)實(shí)現(xiàn)電路工作模態(tài)的轉(zhuǎn)換，降低了電路成本,?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，該變換器可用于需要高增益DC/DC變換器的新能源場(chǎng)合,。

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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)