设计应用

输出电容串联型高增益直流变换器

梁国壮,田涵雷 2018/8/7 11:46:00

0 引言

    能源危机、环境污染的日益严重促进了新能源的发展,以光伏、燃料电池为代表的新能源的输出多是低压直流电[1],需将其升压逆变器后接入电网,因此,高增益直流变换器起到重要作用[2]

    理想情况下,传统的Boost升压电路在占空比接近于1时,增益可达无穷大,但由于寄生参数的影响,实际最高增益只有4~5倍[3],无法满足低压电源输入时对增益的要求。近些年,国内外的学者在传统直流变换器结构的基础上提出了一系列的高增益直流变换器的拓扑,其中包括倍压(Voltage multiplier)电路[4]、开关电容(Switched-capacitor)电路[5]、耦合电感(Coupled-inductor)电路[6]、级联(Cascaded)电路[7]等,但它们都存在各自的缺点,如:倍压电路结构复杂,成本高;开关电容电路增益低且不连续;耦合电感电路中,漏感易造成电压尖峰,对器件要求高;级联电路级数多,效率低等。另一类的高增益拓扑——Z源变换器[8-10],自2002年提出以来,也受到广泛关注,其通过阻抗源将增益由Boost电路的1/(1-D)提高至1/(1-2D),但与传统的Boost有着同样的缺陷,即:增益受开关管、二极管的寄生参数的影响较大。同时,已有的结构有个共同的缺陷,即输出端需要一个耐压和输出电压相同的大电容滤波,当输出电压越高时,输出电容越大,不利于系统的集成。

    本文在已有直流变换器结构的基础上,提出一种输出电容串联型高增益直流变换器,所有的电容和输入电源串联起来给负载供电,减小了电容的电压等级,因此使得逆变器体积小型化;同时,可通过多个单元的扩展,实现更高的增益。本文从原理分析、仿真和实验的角度验证了提出的结构的可行性。

1 电路结构和工作原理

1.1 电路结构

    本文提出的输出电容串联型高增益直流变换器一般结构的电路如图1所示,包含电源Vi、电容C1~C3、二极管D1~D5、电感L1~L3、开关管S和负载电阻Ro。输入电源Vi和电容C1~C3串联向负载供电,理想情况下,输出电压Vo=Vi/(1-D)3,其中,D为开关管S的占空比(0<D<1)。

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1.2 工作原理

    高增益直流变换器的工作波形如图2所示,一个周期包括两种工作模态,模态1:开关管S闭合,电感L1~L3充电、电流C1~C3放电;模态2:开关管S断开,电感L1~L3放电、电容C1~C3充电。

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    为简化分析,做如下假设:(1)电容C1~C3容量足够大,电压纹波为0;(2)电感L1~L3直流阻抗为0;(3)电路中半导体器件均为理想器件,即二极管正向压降和开关管的导通电阻为0;(4)电路已经进入稳态,并且工作在CCM状态。

    具体分析如下:

    模态1(0<t<DT):模态1的电流回路如图3(a)所示,开关管S闭合,二极管D1、D3、D5反向偏置,二极管D2和D4正向导通;输入电源Vi给电感L1充电;输入电源Vi和电容C1串联给电感L2充电;输入电源Vi和电容C1~C2串联给电感L3充电;输入电源Vi和电容C1~C3串联给负载供电。模态1过程中,电感L1~L3上的电流变换量和变换器输出电压分别为:

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    由工作与连续状态的电感伏秒平衡可得:模态1和模态2的电感电流的变化量相等,即:

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2 参数分析与比较

2.1 电容参数设计

    选择合适的电容值使电容上的电压纹波满足要求。开关管S导通期间,电容C1~C3和电源Vi串联负载供电,同时电容C1和电源串联给电感L2充电;电容C1~C2和电源串联给电感L3充电,则开关管S导通期间,电容C1~C3上的平均电流分别为:

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2.2 电感参数设计

    选择合适的电感值使电容上的电流纹波满足要求。考虑电感上电流的波动范围为xL%,则电感L1~L3的电感值分别为:

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    在后续章节的实验和仿真中波依据式(23)~式(25)对电感进行了合适的选取。

3 实验分析

    为了验证所提出拓扑理论分析的正确性和可行性,设计了一台小型的实验样机,其器件型号如表1所示。实验过程的关键波形分别如图4~图6所示,具体分析如下:

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    (1)由图4可知,实验波形和理论分析、仿真相一致。

    (2)由图5可知,串联电容两端电压分别为20 V、40 V和80 V,因此,通过实验很好地验证了在上述在理论和仿真分析过程中的正确性和可行性。

    (3)图6是输出电压波形和放大后的输出纹波。出于对整个样机体积的考虑,输出电容选用220 μF/250 V,因此存在纹波,但输出电压均在147.23 V到153.66 V波动,20 V DC电压输入下4.04%波动(在可接受范围内)且近似160 V平稳输出,很好地验证了本文提出高增益电路的性能和可行性。

4 结论

    本文比较了现有直流变换器增益受寄生参数影响较大和输出电容高耐压的缺点,提出了高增益低电容耐压的输出电容串型拓扑结构。通过串联电容和级联Boost电路在实现相同倍数增益的拓扑结构中开关管使用最少,因此损耗更小。通过串联结构减少了输出电容的耐压,使得拓扑结构更加小型化,而且具有很好的扩张性,仅需增加一个电容、电感和二极管就可以实现电压增益指数的增加。最后,通过20 V直流输入电压样机实验证明了拓扑结构实现高增益电压的可行性。

参考文献

[1] PRABHALA V A K,FAJRI P,GOURIBHATLA V S P,et al.A dc-dc converter with high voltage gain and two input boost stages[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2016,31(6):4206-4215.

[2] TANG Y,FU D,WANG T,et al.Hybrid switched-inductor converters for high step-up conversion[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2015,62(3):1480-1490.

[3] Li Shouxiang,Zheng Yifei,Wu Bin,et al.A family of resonant two-switch boosting switched capacitor converter with ZVS operation and a wide line regulation range[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2017,33(1):448-459.

[4] PRUDENTE M,PFITSCHER L L,EMMENDOERFER G,et al.Voltage multiplier cells applied to non-isolated dc-dc converters[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2008,23(2):871-887.

[5] Zeng Jun,Wu Jialei,Liu Junfen.A novel high-frequency multilevel inverter with capacitors self-balancing[J].Proceedings of the CSEE,2016,36(19):5326-5333.

[6] WAI R J,LIN C Y,DUAN R Y,et al.High-efficiency dc-dc converter with high voltage gain and reduced switch stress[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2007,54(1):354-364.

[7] ZHANG G,ZHANG B,LI Z,et al.A3-Z-network boost converter[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2015,62(1):278-288.

[8] PENG F.Z-source inverter[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2003,39(2):504-510.

[9] 曾君,吴佳磊,刘俊峰.新型电容自均压多电平高配逆变器[J].中国电机工程学报,2016,36(19):5326-5333.

[10] TRABELSI M,ABU-RUB H,MALINOWSKI M.Finite-control-set model-predictive control for a quasi-Z-source four-leg inverter under unbalanced load condition[J].IEEETransactions on Industrial Electronics,2017,64(4):2560-2569.



作者信息:

梁国壮,田涵雷

(河北科技大学 电气工程学院,河北 石家庄050018)

新能源发电 输出电容串联 高增益 直流变换器