耦合电感升压变换器开关管应力降低的研究

石林林，祝龙记，朱　红

(1.安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南232001； 2.国网安徽省公司长丰县供电公司，安徽长丰231100)



耦合电感升压变换器开关管应力降低的研究

石林林1，祝龙记1，朱红2

(1.安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南232001； 2.国网安徽省公司长丰县供电公司，安徽长丰231100)

摘要：为了解决传统的升压电路拓扑因为受到寄生参数的影响而导致电压增益会受到极限占空比的限制，以及传统的耦合电感升压变换器由于漏感的存在而导致的开关管两端电压电流应力较大等一系列问题，在此提出一种新型的可用于光伏发电系统的、具有高增益和低电压电流应力的耦合电感升压变换器。该变换器在传统耦合电感升压变换器的基础上增加了由二极管、电感以及电容组成的无损吸收电路。由于耦合电感具有变压器效应，因此，相对于传统升压电路来说，耦合电感的这一特性，使电路中的电压增益有了较大的提高；由于电感具有抑制电流上升的作用，因此，开关管开通时，减轻了开关管的电流应力；在开关管S的两端并联由电感、电容以及二极管组成的无损吸收电路，有效吸收耦合电感升压变换器中的漏感能量，使得开关管两端的电压尖峰得到抑制，当开关管S彻底关断后，电容和电感通过副边绕组和输出二极管，将能量传递给负载，实现无损传输，进一步提升了电压增益。为了验证该新型耦合电感升压变换器的有效性，故在MATLAB/Simulink平台上搭建了该新型变换器和传统耦合电感升压变换器的仿真模型。通过对比2个模型的相应仿真波形，可以看出，相对于传统的耦合电感升压变换器，该新型变换器具有更高的电压增益，同时，开关管上的电压和电流应力也相对较小。

关键词：耦合电感；光伏发电；无损吸收电路；电压电流应力

光伏发电技术作为电网的有益补充，逐渐成为研究的焦点。由于光伏发电技术输出电压较低，需经DC-DC变换器进行升压[1-2]。DC-DC变换器中的耦合电感具有变压器效应，可以提高变换器的电压增益，同时，减少开关管等器件的使用，变换器的体积和成本也明显降低。但传统的耦合电感升压变换器由于其漏感的存在，使开关管上的电压和电流应力较大，严重影响其安全使用[3]。本文将在传统耦合电感升压变换器的基础上，设计一种新型的DC-DC变换器用于光伏发电系统，其具有较高的电压增益，同时降低开关器件电压/电流应力[4]。并通过仿真实验，验证该变换器的可行性及显著技术效果[5]。

图1　传统的耦合电感升压电路Fig.1　Traditional boost circuit with coupled inductor

1传统的耦合电感升压变换器

与传统的boost电路相比，采用耦合电感，可以使变换器的电气性能得到进一步的加强[6]，通过合理的设置各器件参数以及耦合电感的匝数比来获得较高的电压增益，减少开关管等器件的使用，使电路控制较为简单，也避免了传统的boost电路中极限占空比的情况[7-8]。但是，耦合电感是一把双刃剑，在具有高增益、容易控制、电路简单等一系列优点的同时，也带来了漏感引起的高电压/电流应力等一系列副作用[9]。而传统的耦合电感升压电路(见图1)对漏感带来的副作用并没有采取相应的措施进行避免或减小。

2新型耦合电感升压变换器

2.1电路结构及工作原理简介

新型耦合电感升压变换器的电路拓扑如图2(a)所示，其中，耦合电感可等效为匝数比为N的理想变压器与励磁电感Lm并联后再与漏感Ls串联，其等效电路如图2(b)所示。该电路在传统耦合电感升压电路的基础上增添了由二极管D1、D2、电感L以及电容C组成的无损吸收电路。

图2　新型耦合电感升压变换器Fig.2　Novel coupled inductor boost converter

开关管S导通时，由于电感的抑制电流上升的作用，开关管上的电流上升速度变慢，避免开关管受到尖峰电流的冲击；开关管S导通后，吸收回路中的二极管D2导通，电感L和电容C发生谐振；开关管S关断的过程中，漏感电流流向吸收电容C，电容C的电压逐渐升高，直到达到最大值，从而抑制开关管上的过电压，避免了电压尖峰；当开关管S彻底关断后，电感L、励磁电感和吸收电容C通过副边绕组和输出二极管向负载传递能量。

2.2工作过程分析

电路的主要工作波形如图3所示，其中：Vg为开关管S的门极触发电压；Vs为开关管S的端电压；is为流过开关管S的电流；VC为吸收电路中电容C的端电压；iL为流过吸收电路中电感L的电流(从t0～t3为一个工作周期)。

图3　主要工作波形图Fig.3　The waveform of main work

图4　工作过程1Fig.4　The working process 1

过程1[t0-t1]：如图4所示(加粗的线路回路为此过程的主要工作电路，以下过程亦如此，不再重述)，t=t0时，开关管S被施加门极触发信号，开关管S导通，励磁电感Lm的端电压等于输入电压Uin，电感电流iLm线性增长；吸收回路中的电感L和电容C发生谐振，流过开关管的电流为励磁电感电流Lm和吸收回路中流过电感L的电流之和。假设t=t01时(t0

在该过程中，等式(1)成立：

(1)

其中，当t0

UC(t)=UC(t0)cosw(t-t0)，

(2)

(3)

当t01

(4)

过程2[t1-t2]：如图5所示，t=t1时，开关管S开始关断，漏感Ls与吸收电容C开始发生谐振，漏感电流下降，吸收电容C上的电压上升，直到最大值。在该阶段，等式(5)、(6)成立：

(5)

(6)

过程3[t2-t3]：如图6所示，t=t2时，开关管S彻底关断，励磁电感电流通过副边绕组和输出二极管向负载传递能量；电感L和电容C通过副边绕组和输出二极管向负载传递能量。该阶段等式(7)、(8)成立：

(7)

(8)

图5　工作过程2Fig.5　The working process 2

图6　工作过程3Fig.6　The working process 3

2.3性能分析

由于漏感Ls比励磁电感Lm小的多，因此可根据励磁电感的伏秒平衡特性进行分析电路的电压增益。在一个稳态周期内，开关管S导通时，ULm=Uin；开关管S关断后，ULm=(Uin-U0)/(N+1)。

由励磁电感Lm的伏秒平衡特性可得出式(9)：

(9)

因此，可得出该电路的电压增益G为：

(10)

由于漏感Ls比励磁电感Lm小的多，因此：Lm+Ls≈Lm；Ls/Lm≈0。

因此，理想情况下，由励磁电感的伏秒平衡特性[10]可得开关管S的电压应力为：

(11)

但是该电路中存在LC吸收电路，在过程2中，吸收电容C和漏感Ls发生谐振，吸收电容C上存在谐振峰值UC-max，因此，可得开关管的实际应力为：

(12)

输出二极管的电压应力为：

(13)

由式(12)和(13)可知，开关管两端的电压应力小于输出电压，而输出二极管的电压应力比输出电压高。

由以上分析可知，当输入电压一定时，合理地设置匝数比和占空比，可以得到较高的电压增益，并降低开关管上的电压应力；通过给电路中的电感和电容设置合理的参数，可降低开关管上的电流应力。

3实验结果及分析

为了验证该新型耦合电感升压变换器的新特性，在MATLAB/Simulink平台上搭建了该新型变换器和传统耦合电感升压变换器的仿真模型[11]，通过对比2种升压变换器在相同参数下的仿真波形，进一步突显新型变换器的改进之处，使新型变换器的优越性更加明显地表现出来。

实验参数如下：输入电压Uin为100 V，耦合电感原边L1=16 mH，副边L2=100 mH，频率f=30 kHz，占空比D=0.5，输出滤波电容C0=1 000 μF，R0=50 Ω。另外，新型耦合电感升压变换器的吸收电路中的电感L=50 mH，电容C=500 μF。

图7　开关管的电压波形Fig.7　The voltage waveforms of the switch tube

从图7(a)和(b)中可以看出，传统耦合电感升压电路中开关管两端电压幅值为389.6 V，而新型耦合电感升压电路中开关管两端电压幅值为256.8 V，与理论计算值较为接近。通过比较两图中的波形可知，传统耦合电感升压电路中开关管两端有较大的尖峰电压，对开关管的冲击较大，容易引起开关管击穿。而新型耦合电感升压电路中开关管两端的电压则较为平缓，且相对传统耦合电感升压电路而言，电压较小，开关管的损耗较小。由此可知该新型电路中开关管上的电压应力相对较小。

图8　开关管的电流波形Fig.8　The current waveforms of the switch tube

从图8(a)和(b)中可看出，传统耦合电感升压电路中开关管导通后，电流幅值为46.9 A，而新型耦合电感升压电路中开关管电流幅值稳定在16.5 A。对比两图中的波形形状可知，传统耦合电感升压电路中开关管的电流波形近似于三角波，而新型耦合电感升压电路中开关管的电流波形近似于矩形波。因此，与传统型耦合电感升压电路相比较，该新型电路中开关管上的电流应力较小。

图9　输出电压波形Fig.9　The output voltage waveforms

从图9(a)和(b)中可以看出，传统耦合电感升压电路的输出电压波动较大，震荡较明显，而新型耦合电感升压电路的输出电压则较为平缓，最终能稳定在815 V，与理论值接近。由此可看出，新型电路的输出电压增益比传统耦合电感升压电路高，效果较好，转换效率更高。

综合以上分析可知，该新型耦合电感升压电路比传统的耦合电感升压电路具有更高的电压增益以及更小的电压电流应力。

4结论

为了更好地利用耦合电感的升压特性，本文提出一种新型的耦合电感升压电路，即在传统耦合电感升压电路的基础上增加了由二极管、电感以及电容组成的无损吸收电路，以解决耦合电感升压电路中电压增益不高、开关管的电压电流应力较大的问题。实验结果表明，相对于传统耦合电感升压电路而言，新型耦合电感升压电路在具有高增益的同时，开关管上的电压电流应力得到明显减小，输出电压更加平缓稳定。该新型电路结构简单，易于控制，且成本较低，适合应用在需要高增益DC-DC变换的场合。

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(责任编辑黄勇)

doi:10.16088/j.issn.1001-6600.2016.02.003

收稿日期：2015-11-05

基金项目：国家自然科学基金资助项目(11105002)

中图分类号：TM46

文献标志码：A

文章编号：1001-6600(2016)02-0015-06

Research of Reducing the Stress on the Switch in the Coupled Inductor Boost Circuit

SHI Linlin1，ZHU Longji1，ZHU Hong2

(1.College of Electrical and Information Engineering， Anhui University of Science and Technology， Anhui Huainan 232001，China. 2.Changfeng Power Supply Company of Anhui State Grid，Anhui Changfeng 231100，China)

Abstract:In order to solve the problem that the voltage gain is limited by the limit of the voltage gain because of the parasitic parameters in traditional boost converter and a series of problems caused by the presence of the leakage inductance in the traditional boost converter with coupled inductance， a new high gain coupled inductor boost converter for photovoltaic power generation system is proposed. Based on the traditional coupled inductor boost converter， the converter is added to the lossless absorption circuit composed of diode， inductor and capacitor. As the coupled inductor has the transformer effect， the new circuit has higher voltage gain， compared with the traditional boost converter with coupled inductance； Since inductance has the effect of inhibiting the rise of current， it can reduce the current stress of the switch tube when the switch tube is on； The lossless snubber circuit could absorb leakage inductance energy to suppress the voltage spike at bothends of the switch. When the switch is turned completely， the energy in the capacitor and inductance can be delivered to the load，which realizes the lossless transmission to further enhance the voltage gain. In order to verify the validity of the new coupled inductor boost converter， the simulation model of the new coupled inductor boost converter and the traditional coupled inductor boost converter are built on the MATLAB/Simulink platform. By comparing the corresponding simulation waveforms of the two models， it can be seen that the new converter has higher voltage gain and relatively smaller voltage and current stress on the switch tube than the traditional one.

Keywords:coupled inductor； photovoltaic power generation； lossless snubber circuit； stress of the voltage and current

通信联系人：祝龙记(1964—)，男，安徽淮南人，安徽理工大学教授，博士。E-mail：ljzhu@aust.edu.cn