文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.173337
中文引用格式： 梁國壯，田涵雷. 輸出電容串聯(lián)型高增益直流變換器[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(7)：143-146.
英文引用格式： Liang Guozhuang，Tian Hanlei. A high-voltage gain DC/DC converter with the output capacitors connected in series[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(7)：143-146.
0 引言
能源危機(jī)、環(huán)境污染的日益嚴(yán)重促進(jìn)了新能源的發(fā)展，以光伏、燃料電池為代表的新能源的輸出多是低壓直流電[1]，需將其升壓逆變器后接入電網(wǎng)，因此，高增益直流變換器起到重要作用[2]。
理想情況下，傳統(tǒng)的Boost升壓電路在占空比接近于1時，增益可達(dá)無窮大，但由于寄生參數(shù)的影響，實(shí)際最高增益只有4～5倍[3]，無法滿足低壓電源輸入時對增益的要求。近些年，國內(nèi)外的學(xué)者在傳統(tǒng)直流變換器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了一系列的高增益直流變換器的拓?fù)?，其中包括倍?Voltage multiplier)電路[4]、開關(guān)電容(Switched-capacitor)電路[5]、耦合電感(Coupled-inductor)電路[6]、級聯(lián)(Cascaded)電路[7]等，但它們都存在各自的缺點(diǎn)，如：倍壓電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高；開關(guān)電容電路增益低且不連續(xù)；耦合電感電路中，漏感易造成電壓尖峰，對器件要求高；級聯(lián)電路級數(shù)多，效率低等。另一類的高增益拓?fù)洹猌源變換器[8-10]，自2002年提出以來，也受到廣泛關(guān)注，其通過阻抗源將增益由Boost電路的1/(1-D)提高至1/(1-2D)，但與傳統(tǒng)的Boost有著同樣的缺陷，即：增益受開關(guān)管、二極管的寄生參數(shù)的影響較大。同時，已有的結(jié)構(gòu)有個共同的缺陷，即輸出端需要一個耐壓和輸出電壓相同的大電容濾波，當(dāng)輸出電壓越高時，輸出電容越大，不利于系統(tǒng)的集成。
本文在已有直流變換器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種輸出電容串聯(lián)型高增益直流變換器，所有的電容和輸入電源串聯(lián)起來給負(fù)載供電，減小了電容的電壓等級，因此使得逆變器體積小型化；同時，可通過多個單元的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)更高的增益。本文從原理分析、仿真和實(shí)驗(yàn)的角度驗(yàn)證了提出的結(jié)構(gòu)的可行性。
1 電路結(jié)構(gòu)和工作原理
1.1 電路結(jié)構(gòu)
本文提出的輸出電容串聯(lián)型高增益直流變換器一般結(jié)構(gòu)的電路如圖1所示，包含電源Vi、電容C1~C3、二極管D1~D5、電感L1~L3、開關(guān)管S和負(fù)載電阻Ro。輸入電源Vi和電容C1~C3串聯(lián)向負(fù)載供電，理想情況下，輸出電壓Vo=Vi/(1-D)3，其中，D為開關(guān)管S的占空比(0<D<1)。
1.2 工作原理
高增益直流變換器的工作波形如圖2所示，一個周期包括兩種工作模態(tài)，模態(tài)1：開關(guān)管S閉合，電感L1~L3充電、電流C1~C3放電；模態(tài)2：開關(guān)管S斷開，電感L1~L3放電、電容C1~C3充電。
為簡化分析，做如下假設(shè)：(1)電容C1~C3容量足夠大，電壓紋波為0；(2)電感L1~L3直流阻抗為0；(3)電路中半導(dǎo)體器件均為理想器件，即二極管正向壓降和開關(guān)管的導(dǎo)通電阻為0；(4)電路已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，并且工作在CCM狀態(tài)。
具體分析如下：
模態(tài)1(0<t<DT)：模態(tài)1的電流回路如圖3(a)所示，開關(guān)管S閉合，二極管D1、D3、D5反向偏置，二極管D2和D4正向?qū)?；輸入電源Vi給電感L1充電；輸入電源Vi和電容C1串聯(lián)給電感L2充電；輸入電源Vi和電容C1~C2串聯(lián)給電感L3充電；輸入電源Vi和電容C1~C3串聯(lián)給負(fù)載供電。模態(tài)1過程中，電感L1~L3上的電流變換量和變換器輸出電壓分別為：
由工作與連續(xù)狀態(tài)的電感伏秒平衡可得：模態(tài)1和模態(tài)2的電感電流的變化量相等，即：
2 參數(shù)分析與比較
2.1 電容參數(shù)設(shè)計
選擇合適的電容值使電容上的電壓紋波滿足要求。開關(guān)管S導(dǎo)通期間，電容C1~C3和電源Vi串聯(lián)負(fù)載供電，同時電容C1和電源串聯(lián)給電感L2充電；電容C1~C2和電源串聯(lián)給電感L3充電，則開關(guān)管S導(dǎo)通期間，電容C1~C3上的平均電流分別為：
2.2 電感參數(shù)設(shè)計
選擇合適的電感值使電容上的電流紋波滿足要求。考慮電感上電流的波動范圍為xL%，則電感L1~L3的電感值分別為：
在后續(xù)章節(jié)的實(shí)驗(yàn)和仿真中波依據(jù)式(23)~式(25)對電感進(jìn)行了合適的選取。
3 實(shí)驗(yàn)分析
為了驗(yàn)證所提出拓?fù)淅碚摲治龅恼_性和可行性，設(shè)計了一臺小型的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，其器件型號如表1所示。實(shí)驗(yàn)過程的關(guān)鍵波形分別如圖4~圖6所示，具體分析如下：
(1)由圖4可知，實(shí)驗(yàn)波形和理論分析、仿真相一致。
(2)由圖5可知，串聯(lián)電容兩端電壓分別為20 V、40 V和80 V，因此，通過實(shí)驗(yàn)很好地驗(yàn)證了在上述在理論和仿真分析過程中的正確性和可行性。
(3)圖6是輸出電壓波形和放大后的輸出紋波。出于對整個樣機(jī)體積的考慮，輸出電容選用220 μF/250 V，因此存在紋波，但輸出電壓均在147.23 V到153.66 V波動，20 V DC電壓輸入下4.04%波動(在可接受范圍內(nèi))且近似160 V平穩(wěn)輸出，很好地驗(yàn)證了本文提出高增益電路的性能和可行性。
4 結(jié)論
本文比較了現(xiàn)有直流變換器增益受寄生參數(shù)影響較大和輸出電容高耐壓的缺點(diǎn)，提出了高增益低電容耐壓的輸出電容串型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過串聯(lián)電容和級聯(lián)Boost電路在實(shí)現(xiàn)相同倍數(shù)增益的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中開關(guān)管使用最少，因此損耗更小。通過串聯(lián)結(jié)構(gòu)減少了輸出電容的耐壓，使得拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加小型化，而且具有很好的擴(kuò)張性，僅需增加一個電容、電感和二極管就可以實(shí)現(xiàn)電壓增益指數(shù)的增加。最后，通過20 V直流輸入電壓樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高增益電壓的可行性。
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作者信息:
梁國壯，田涵雷
（河北科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 石家莊050018）