设计应用

新型双输入Sepic直流变换器

0 引言

    能源是整个人类社会发展与进步的物质基础和动力来源。随着人类社会的飞速发展,煤炭、石油等不可再生能源的消耗量日益增加,能源衰竭、环境污染等问题已经严重影响了社会的可持续发展[1-3]。近十年来新能源作为解决能源危机,实现人类社会可持续健康发展的清洁能源,逐渐成为各国科学家研究的热点。但由于新能源分布范围广,且易受到地理环境和天气的影响,存在着不稳定、不连续等缺点,因此将多种分布式能源采用多输入直流变换器将其联合,组成联合供电系统,不仅可简化电路结构、避免独立供电不稳定和不连续的缺点,同时也可提高分布式发电系统供电的可靠性[4-7]

    近年来国内外学者对多输入直流变换器进行了深入的研究,并相继提出了多种多输入拓扑,尤以双输入拓扑研究最为全面。如:文献[3]、[5]各自提出了一种双输入Buck变换器,由文献[2]对其总结可知,所提变换器虽具有结构简单、开关电压应力低,且可实现多种能源输入等优点,但是由于其拓扑的局限性即此拓扑仅是降压变换器,电压增益低,不能满足并网逆变器的需要。为此文献[2]、[7]分别提出来一种新型双输入升压拓扑,所提拓扑虽弥补了文献[3]、[5]中拓扑电压增益低的缺陷,但依然具有局限性即仅是升压变换器,即不能满足同时需要升降压的应用场合。为实现双输入升降压,文献[8]提出了一种双输入Buck-boost变换器,该拓扑虽能实现电压升降输出且电压增益高,但输出电压为负极性的,因而不满足分布式发电系统并网的要求。文献[9]也提出了一种耦合电感双输入升降压变换器,所提变换器虽能实现分布式发电系统并网,但拓扑结构与控制策略复杂,实现难度大。

    为弥补上述变换器的不足,本文提出一种新型双输入Sepic变换器,该变换器具有结构简单、升降压输入/输出电压同极性、开关电压应力低,而且可允许多种形式的能源输入等优点。

1 拓扑结构及工作原理

    新型双输入Sepic变换器如图1所示,由4个升压电感L1、L2、L3、L4,2个开关管Q1、Q2,2个续流二极管D1、D2,4个升压电容C1、C2、C3、C4及负载R构成。根据输入源的数量,有单输入和双输入两种工作状态。下面详细分析两种输入状态下电路的工作原理。

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1.1 单输入状态的工作原理

    当直流电源U1、U2分别单输入时其工作原理与传统单输入Sepic变换器的工作原理类似,以U1单输入时为例分析其稳态情况下的工作原理。为方便分析,假设变换器各元器件均为理想器件,且电路工作在CCM模式。图2为其拓扑开关模态的等效电路。

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    在单电源U1输入时,1个开关周期Ts内,拓扑有2种工作模态:模态1:Q1、Q2关断,U1—L1—C1—D1—负载—D2—L4回路、L3—D1—C3回路、L4—D2—C4回路同时导通,此时电源U1与电感L1向电容C1、C3与负载供电。模态2:Q1导通D2关断,U1—L1—Q1回路、C1—Q1—L3回路、C3—负载—D2—L4回路、L4—D2—C4回路同时导通,此时电容C3、C4向负载供电,电感L1、L3电流增大电感储能。由上分析可知,电感L4在整个开关周期内并未受到电源激励,它只是作为回路通道,同时由于二极管D2具有0.7 V的导通压降,因此稳态后Uo2=-0.7 V。 

    对电感L1、L2应用伏秒平衡原理可得:

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其中,D1为开关管Q1开通占空比,Uo2、Uo1分别为电容C3、C4两端电压,由此可知拓扑工作在单输入状态时,电压增益与传统Sepic变换器相同。

1.2 双输入状态的工作原理

    当有2个输入源时即工作在双输入状态时,为方便本文分析,假设变换器各元器件均为理想器件,且电路工作在CCM模式。双输入时电路拓扑存在4种开关模式,即在Q1、Q2开关周期与占空比相同或不同的情况下,变换器可能4种工作模式同时存在,也可能部分存在。设在不同开关周期内变换器出现4种工作模式,图3为电路工作模式。

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    工作模式I:设工作时间在[t0,t1],图3模态1为其等效电路图。Q1、Q2同时开通,电源U1与U2分别对升压电感L1、L2充电,L1、L2电流线性增加,电容C1、C2分别向电感L3、L4充电,L1、L2电流线性增加,串联电容C3、C4向负载供电。此时有:

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    工作模式IV:设工作时间在[t3,t4],图3模态4为其等效电路图。Q1、Q2同时关断,电源U1与电感L1向电容C1充电,电源U2与L2向电容C2充电,电感L3、L4分别向电容C3、C4充电,C3、C4共同向负载供电。此时有:

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    综上分析可得,所提拓扑在双电源输入时,U1、U2工作电路具有独立性,在Q1、Q2开关周期与占空比相同或不同时,其变换器的运行状态是1~4种模式中任意几种模式有规律的组合,且不管工作在何种模态下,输出电压Uout恒为Uo1+Uo2。当U1、U2两个输入源同时向负载R供电时,拓扑的输出电压是2个传统Sepic变换器输出电压的串联。当Q1、Q2开通时刻一样而开关周期与导通时间相同或不同时,电路中会出现多种工作模态,详见表1。

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    根据文献[2]阐述可知,为减小电路中电磁干扰,Q1、Q2开关管应工作在相同开关频率下,此时它们可工作在交错控制状态或同时开通状态。当在同时开通状态时由表1可知工作模式只有I、IV。当工作在交错控制状态时:本文以变换器工作状态依次是I、II、I、III为例加以分析,图4为工作在交错控制状态时电路主要工作波形图。

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2 输入/输出的数量关系

    对L1、L2、L3、L4应用电感的伏秒平衡原理,可得下式:

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    与文献[1]~[5]对比发现,本文所提的拓扑结构不仅继承了上述文献所具有的优点,即提高了系统的稳定性和灵活性,实现了能源的综合利用,同时可弥补文献[1]~[5]只能升压或降压的不足,且进一步提高了电压增益。综合上述分析,本拓扑不仅可工作在单输入,亦可工作在双输入状态,且都具有良好的性能,可根据不同场合结合使用。

3 仿真实验验证

    为验证所提拓扑理论分析的正确性,在实验室利用MATLAB对交错控制状态进行仿真实验。实验数据如下:U1=50 V,U2=60 V;L1=L2=L3=L4=2 mH;C1=C2=10 μF,C3=C4=100 μF;负载R=300 Ω;f2=f1=10 kHz且Q2延迟5 μs导通;D2=D1=0.6。

    在MATLAB/Simulink中建立双输入Sepic变换器开环控制仿真电路模型,仿真波形如图5所示,图5(a)为Q1、Q2开关波形;图5(b)为电感L1、L2电流波形图;图5(c)、图5(d)分别为电路稳定后电感L3、L4两端电压波形;图5(e)为电压Uo1、Uo2、Uout输出波形。

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4 结论

    本文提出了一种新型双输入Sepic变换器拓扑结构,该变换器具有结构简单、电压增益高、开关器件电压应力低等优点,且变换器可工作在单电源和双电源输入两种不同状态。基于对工作原理的分析,推导出拓扑的输入/输出关系,并通过MATLAB仿真验证了理论分析的正确性。同时由于所提拓扑具有升降压、输入/输出同级性的特点,因而可用于分布式风光互补发电系统中,避免独立光伏或风力发电供电不足的缺点。

参考文献

[1] 杨东升,杨敏,阮新波.双输入Buck变换器的单周期控制[J].电工技术学报,2012,27(1):162-171.

[2] 陆治国,刘捷丰,郑路遥,等.新型双输入Boost变换器[J].电力自动化设备,2010,30(9):42-45.

[3] 李艳,阮新波,杨东升.一种新的双输入直流变换器[J].电工技术学报,2008,23(6):121-125.

[4] 孙鹏菊,李正宇,张冀,等.一种基于倍压单元的双输入高增益直流变换器[J].中国电机工程学报,2016,36(17):4694-4701.

[5] YALAMANCHILI K P,FERDOWSI M,CORZINE K.New double input DC-DC converters for automotive applications[C].Vehicle Power and Propulsion Conference,2006.VPPC′6.IEEE.IEEE,2006:1-6.

[6] 李艳,阮新波,杨东升,等.双输入直流变换器的建模与闭环系统设计[J].电工技术学报,2010,25(11):102-110.

[7] 陈剑飞,侯世英,孙韬,等.基于开关电容网络组的双输入升压变换器[J].电工技术学报,2015,30(15):118-126.

[8] 廖志凌,徐艳杰,施卫东.风光互补双输入Buck-Boost直流变换器的研究[J].电测与仪表,2014(2):63-66.

[9] 张君君,孙凯,吴红飞,等.一种耦合电感双输入升降压变换器[J].电工技术学报,2015,30(1):143-149.



作者信息:

兰志勇,陈礼俊,焦  石,李  理,王  波,徐  琛

(湘潭大学 信息工程学院,湖南 湘潭411105)

直流变换器 电压增益 双输入 SEPIC