高增益DC—DC变换器在光伏系统中的应用研究

房绪鹏+闫鹏+赵珂+于志学

摘 要： 以光伏、燃料电池为代表的新能源产业正逐渐兴起，通过高升压的DC?DC变换器将光伏输出电压提升到常规母线直流电压，用来保证正常的并网逆变，但由于其输出电压等级较低，很难达到应用场合所需的电压要求。为了克服这种缺陷，主要介绍目前光伏发电行业不同应用场合下的高增益直流变换器拓扑，同时对高增益变换器进行分类。把几种高增益直流变换器的拓扑进行总结，并分析其工作原理以及优缺点，指出未来直流变换器拓扑的发展趋势和所面临的挑战。

关键词： 新能源； 光伏发电； 并网； 高增益； DC?DC变换器； 电压应力

中图分类号： TN710?34； TM461.5 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）03?0141?05

Abstract： The new energy resource industry such as photovoltaic power generation and fuel cell is gradually rising. The high boost DC?DC converter can increase the photovoltaic output voltage to the conventional DC busbar voltage to ensure the normal grid connection and inversion， but is difficult to realize the voltage requirements of application scenario. In order to eliminate the defects， the high?gain DC converter topologies in different applications are introduced for photovoltaic power generation industry， and the high?gain converter is classified. The topologies of several high?gain converters are summarized， and their working principles， advantages and disadvantages are analyzed. The development trend and challenge of the future DC converter topology are pointed out.

Keywords： new energy resource； photovoltaic power generation； grid connection； high gain； DC?DC converter； voltage stress

伴随着环境污染的日益严重，人们对能源的需求量不断加大，以光伏、燃料电池等为代表的新能源因具有清洁和可再生特性日益受到人们的关注。但由于以光伏和燃料电池为代表的新能源发电系统的输出电压较低，既不能满足现有设备的供电需求，又不能达到供给电网的需求。因此，在这些场合高增益的DC?DC变换器就有了用武之地。本文把现有的高增益DC?DC变换器加以总结，详尽地分析其工作原理和优缺点，以方便同行的应用。

1 各种变换器类型及其结构

1.1 传统boost升压变换器

传统boost变换器电路拓扑如图1所示。该变换器有两种工作状态。开关管S1处于导通状态时，电源向电感储能，储存的能量为当S1处于断态时，电源和电感共同向电容充电同时向负载供电。此时，电感释放的能量为周期根据电感在一个周期积累和释放的能量相等，可得因此可得boost变换器的升压因子为

传统boost电路以结构简单、元器件少为优点。缺点：传统boost变换器升压困难，当拓扑升压因子很大时，其开关导通比接近于1。如，当升压因子高于5时，占空比高于0.8，在此条件下会导致开关损耗加剧和升温过高，对直流电源有很大影响，同时变换效率低，不适合在电压增益很高的场合应用。

1.2 新型boost升压变换器

新型boost变换器电路拓扑如图2所示。

新型boost变换器有两种工作状态。开关管S1导通时，二极管D1，D2关断，D0导通，电源给电感充电，电容对充电，同时对负载放电。开关管S1关断时，二极管D0截止，D1，D2导通，电源对电容和充电，电容对负载提供能量。新型boost变换器的升压因子。

新型boost变换器的优点：相比于传统boost，新型boost变换器在提高电路变换效率的同时，提高了电压增益。具有结构简单、控制简便的特点。但相比于传统boost变换器，增加了元器件的数量。

1.3 二次型boost升压变换器

二次型boost变换器电路拓扑如图3所示。

二次型boost变换器有两种工作状态。当开关管S1导通时，二极管D2导通，二极管D1，D3关断，输入电源给电感充电，电容给电感充电，电容给负载放电；开关管S1关断时，二极管D2关断，二极管D1，D3导通，电感向电容充电，电感向电容充电，并且同时向负载提供能量。二次型boost变换器的升压因子。

二次型boost变换器的优点：在相同的占空比下，较传统的boost变换器有更大的电压增益，升压能力得到提升。缺点：在提高升压能力的同时，开关器件的电流、电压应力也提高，这使得开关器件的寿命缩短，也使得安全性降低，同时增大了电路的体积。

1.4 改进二次型boost升压变换器

改进二次型boost变换器电路拓扑如图4所示，其等效电路如图5a）和图5b）所示。endprint

改进二次型boost变换器有两种工作状态。当开关管S1导通时，二极管D0，D1关断，D2，D3导通，电源给电感和电容充电，电容向电感放电；当开关管S1关断时，二极管D2，D3关断，D0，D1导通，电源给电容充电，电感放电，电容给负载放电。改进二次型boost变换器升压因子。

改进二次型boost变换器的优点：改进二次型boost变换器的升压能力比二次型boost变换器有所提升，在相同升压倍数时，所需的占空比减小。同时降低了开关器件的电流和电压应力，节约了器件的成本。缺点：增加了元器件的数量，带来一定的能量损耗，并且电路的体积变大。

1.5 Z源升压变换器

Z源升压变换器电路拓扑如图6所示。其等效电路如图7a）和图7b）所示。

Z源变换器有两种工作状态。当开关管S1导通时，二极管D1关断，电容给负载供电，输出滤波电感电流减小；当开关管S1关断时，二极管D1导通，电源和电感共同给负载供电，输出滤波电感电流增大。Z源升压变换器的升压因子。

Z源升压变换器的优点：其升压因子在占空比小于0.5的情况下，任意直流电压可以被完全输出。在相同占空比的情况下，此变换器的输出远高于传统boost变换器；电路简单，增加元器件少，有效地控制了成本的增加。

1.6 3?Z阻抗网络升压变换器

3?Z阻抗网络升压变换器电路拓扑见图8。3?Z阻抗网络升压变换器有3个阻抗源网络。由二极管D1，D2和D3以及电感组成第一个Z源网络；由二极管D4，D5和电容以及开关管S1组成第二个Z源网络；由电感和二极管D6，D7和D8组成第三个Z源网络。第一个Z源网络起第一级升压作用，第三个Z源网络起第二级升压作用。3?Z阻抗网络升压变换器的升压因子为。

3?Z阻抗网络升压变换器的优点：相比于传统boost，输出电压增益较高，理论可达350倍，且只用了一个开关管，解决了光伏电池输出电压低而需要高增益变换器的问题。

1.7 推挽式直流变换器

推挽式直流变换器的电路拓扑见图9。推挽式直流变换器由两个正激式变换器组成。开关管S1，S2在一个周期内各自导通半个周期，交替给负载提供能量。当推挽式变换器输出采用桥式整流电路时，电路中的二极管所受的压力只有全波电路的因而适用于高电压输出场合。

推挽式直流变换器的优点：结构简单；开关管的驱动控制无需电气隔离。缺点：开关管关断的瞬间，由于开关管的结电容与变压器漏感电流易发生振荡，导致开关管承受很大的电压冲击，易致开关管损坏；变压器容易偏磁，磁芯饱和。

1.8 移相全桥ZVZCS直流变换器

ZVZCS移相全桥变换器电路拓扑见图10。移相全桥ZVZCS变换器采用零电压、零电流开关移相全桥拓扑结构。通过开关管S1，S3上的电容实现超前桥臂零电压开关；续流期间箝位电容上的电压反射到变压器的一侧，再通过变压器漏感，实现滞后桥臂的零电流开关。移相全桥ZVZCS直流变换器的升压因子

移相全桥ZVZCS直流变换器的优点：二次侧辅助电路结构简单；变换器可以在很宽的负载范围内实现超前桥臂的零电压开关和滞后桥臂的零电流开关，整体变换效率较高，适用于大功率场合。移相全桥ZVZCS直流变换器的缺点：当饱和电感工作在饱和以及不饱和状态下时，高频率工作时损耗较大，电感严重发热，变换器损耗程度加深，转换效率降低；由于饱和电感与最大输入电压有关，输入电压范围较宽时，副边占空比损失较多，进而降低了效率值。

1.9 反激式变换器

反激式变换器电路拓扑见图11。反激式式变换器有两种状态。当开关管S1导通时，初级绕组的感应电压上正下负，次级绕组的感应电压方向与初级绕组相反，二极管D0关断，初级绕组中存储能量；当开关管S1截止时，初级绕组的感应电压上负下正，次级绕组的感应电压方向与初级绕组相反，初级绕组中存储能量，通过次级绕组、二极管D0整流以及电容滤波后给负载供能。反激式变换器升压因子。

反激式变换器的优点：电路简单，效率高；适用于小功率多路输出场合，与输入电压关系不大。缺点：输出电压波纹较大，一般达到1%；电压负载调整率相对较低；处理功率较小，一般在150 W以下。

1.10 正激式变换器

正激式变换器电路拓扑见图12。正激式变换器有两种工作状态。当开关S1导通时，变压器绕组的电压上正下负，与其耦合的绕组的电压方向与相同。因此二极管D0处于导通状态时，电感的电流逐渐增长；当开关管S1关断后，电感通过二极管D2续流，D0关断，电感的电流逐渐下降。正激式变换器升压因子。

正激式变换器的优点：电路简单，铜耗较低；输出电压电流纹波较小；开关管应力较小。

1.11 推挽正激式变换器

推挽正激式变换器电路拓扑见图13。推挽正激式变换器的优点：变压器磁芯双向磁化，具有较高的磁芯利用率；由于箝位電容的加入，抑制了开关管电压尖峰与变压器的偏磁，降低了开关管的电压应力，有利于开关管的选取，同时减小了输入电流脉动；采取电压型控制方案，控制电路简单。

1.12 软开关隔离式单级开关ZCS?ZVS变换器

隔离式单级开关ZCS?ZVS变换器电路拓扑见图14。

软开关隔离式单级开关ZCS?ZVS变换器有以下特点：开关的ZCS开通及ZVS关断与电压和负载的变化无关；可以实现所有二极管ZCS关断；由于CCM操作，输入电流纹波较小；由于磁化电流低，变压器容量变小；适用于高电压场合，效率高；与传统反激变换器对比，具有成本低、功率密度大、效率高的特点。软开关隔离式单级开关ZCS?ZVS变换器的升压比为变压器匝数比。

2 高增益DC?DC变换器的比较

前文对应用于各个场合的高增益直流变换器进行了分析，表1是对以上直流变换器之间的比较。endprint

通过表1可知，传统boost变换器不适合高电压场合，二次型boost变换器相比于传统boost变换器，在相同的占空比下，升压能力得到提升，但同时，电流、电压的应力同时提高，元器件的损耗加剧，寿命变短。正激式、反激式变换器虽然电路简单，转换效率高，但是必须要考虑抑制偏磁的问题，使得开关管的应力降低。

3 结 语

直流变换器在光伏发电系统应用越来越广泛，随着电力电子技术的大力发展，直流变换器今后的发展趋势是小型化、高效化、高可靠性。总的来说，采用软开关技术可以提高转换效率，从而减小变换器的体积；在大功率变换中采用硬开关可降低电路的复杂度，从而节约成本。但是目前的直流变换器仍存在一些问题，如提高电压增益的同时，电流、电压应力没有改善等问题；半桥变换器、全桥变换器存在偏磁问题；推挽变换器输出电压增益高，无需驱动电路隔离，但也存在变压器结构复杂，体积较大等缺陷。

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