基于CLD模块的新型DC-DC升压变换器

2019-10-252

测控技术 2019年10期

(1.西南科技大学信息工程学院，四川绵阳 621010； 2.电子科技大学自动化工程学院，四川成都 610054)

随着人类文明的发展，人类日常生产生活对能源的依赖也日益紧密[1]。因化石能源储量有限，加之其在燃烧供能的过程中对环境造成了不容忽视的污染等因素，激发了人们对新能可再生能源的需求，进而吸引了大量的专家学者投身到了对其的研究中来[2-3]。

光伏发电技术因其能量来源于光能，加之其在完成光电转换的过程中清洁无污染，使其一跃成为了新能源研究领域里的焦点。由于光伏电池直接输出的直流电压一般都较低，难以满足分布式光伏电站充电桩或并网逆变器中直流汇流母线对高压直流电的需求，所以常需要在光伏电站充电桩中或光伏发电系统中加入DC-DC升压变换器模块[4-5]。传统的Boost升压变换器拓扑结构一般适用于电压增益不超过6的场合[6]。为了在光伏电站充电桩中或光伏发电系统中实现更高的电压增益，近年来大量的DC-DC升压变换器拓扑结构被提出[7-11]。虽然部分高增益DC-DC升压变换器拓扑结构实现了较高的电压变比，但仍具有电感电流过大、开关管电压应力过高、变换器整体能量转换效率不高等缺点。

针对在新能源的利用过程中对高增益DC-DC升压变换器拓扑结构的需求，提出了一种高增益的DC-DC的新型拓扑结构。该拓扑结构的输出电压是其输入电压的(3D+1)/(1-D)倍，两有源开关管的电压应力为输出电压的1/(3D+1)倍，两无源开关管的电压应力为输出电压的2/(3D+1)倍。本文对该新型DC-DC拓扑结构的工作原理及其性能特点进行了严密的理论分析和逻辑论证，最终通过制作的实验样机实验，对上述分析进行了实验验证。

1 工作原理

所提高增益的DC-DC的新型拓扑结构如图1所示。其中有源开关管S1、S2参数相同、型号一致，电感元器件L1、L2参数相同、型号一致，电容元器件C1、C2参数相同、型号一致，无源开关管D1、D2参数相同、型号一致。为了简化对其工作原理的分析过程，现做以下假设：① 拓扑结构中所有电感(L1、L2、L3)的电流(iL1、iL2、iL3)连续;② 拓扑结构中所有电容(C1、C2、C3)的容量大到足以忽略其电压纹波为止；③ 拓扑结构中所有元器件都是理想的；④ 拓扑结构中两有源开关管(S1、S2)采用同步控制的控制策略[3]。

图1 基于CLD模块的新型DC-DC升压变换器

由于在该变换器拓扑结构工作的整个过程中电感电流连续，所以该变换器拓扑结构一直工作在其电感电流连续模式(Continuous Conduction Model,CCM)。现分别对所提变换器拓扑结构中有源开关管S导通和关断两种模式进行分析。表1为有源开关管S分别在两种工作模态下，所有开关管的开关状态。

表1 开关状态表

1.1 工作模式1

此时变换器拓扑结构中有源开关管S1、S2导通，无源开关管D1、D2关断，图2为其等效电路图。此时该拓扑结构中有5个电流环路，具体如下。

① 环路1，电源Vin、电感L1和有源开关管S1串联形成环路，此时电源电压Vin给电感L1充电；

② 环路2，电源Vin、电感L2和有源开关管S2串联形成环路，此时电源电压Vin给电感L2充电；

③ 环路3，电容C1、有源开关管S1、电感L2、电容C2、电容C3、电感L3串联形成环路，此时电容C1电压VC1、电感L2电压VL2、电容C2电压VC2、电容C3电压VC3串联给电感L3充电；

④ 环路4，电容C1、电感L1、有源开关管S2、电容C2、电容C3、电感L3串联形成环路，此时电容C1电压VC1、电感L1电压VL1、电容C2电压VC2、电容C3电压VC3串联给电感L3充电，环路3与环路4中电感L1与L2并联；

⑤ 环路5，电容C3与负载R串联形成环路，此时电容C3给负载R供电。

图2 所提变换器工作模式1等效电路

由上述对工作模态1的分析可知：

(1)

(2)

1.2 工作模式2

此时变换器拓扑结构中有源开关管S1、S2关断，无源开关管D1、D2导通，图3所示为其等效电路图。此时该拓扑结构中有5个电流环路，具体如下。

① 环路1，电感L1、电源Vin、电感L2、无源开关管D1、电容C1串联形成环路，此时电感L1电压VL1、电源电压Vin、电感L2电压VL2串联给电容C1充电；

② 环路2，电感L1、电源Vin、电感L2、电容C2、无源开关管D2串联形成环路，此时电感L1电压VL1、电源电压Vin、电感L2电压VL2串联给电容C2充电；

③ 环路3，电感L3、电容C1、无源开关管D2、电容C3串联形成环路，此时电感L3电压VL3与电容C1电压VC1串联给电容C3充电；

④ 环路4，电感L3、无源开关管D1、电容C2、电容C3串联形成环路，此时电感L3电压VL3与电容C2电压VC2串联给电容C3充电；

⑤ 环路5，电容C3与负载R串联形成环路，此时电容C3给负载R供电。

图3 所提变换器工作模式2等效电路

由上述对工作模态2的分析可知：

(3)

(4)

2 性能分析

图4为所提高增益的DC-DC的新型拓扑结构在CCM模式下的部分电压电流波形。其中VC1、VC2、VC3分别为加载在电容C1、C2、C3两端的电压，IL1、IL2、IL3分别为流经电感L1、L2、L3的电流，VD1、VD2分别为加载在无源二极管D1、D2两端的电压，T、Ton、Toff分别为有源开关管S的时钟周期、导通与关断时间。

图4 基于CLD模块的新型DC-DC升压变换器的主要波形

2.1 电压增益M

由变换器拓扑结构的工作原理可知，在CCM模式下变换器的开关管一直在工作模态1与工作模态2之间循环切换。现对图2与图3中电感L2和L3运用伏秒平衡可知

(5)

L3：(2VC1+Vin-Vo)ton+(VC1-Vo)toff=0

(6)

由于Ton/D=Toff/(1-D)，联立式(5)、式(6)可得

(7)

式中，D为开关管S的占空比。

图5为本文所提高增益的DC-DC的新型拓扑结构和其他文献中提到的高增益DC-DC升压变换器拓扑结构就电压增益在CCM模式下的比较曲线。由此曲线可知本文所提DC-DC升压变换器拓扑结构在占空比D大于0.34时，其相较于现阶段常见的3种其他DC-DC升压变换器拓扑结构具有较高的电压增益，这对于占空比D最佳工作比为0.5～0.8的两级式光伏发电系统中的DC-DC升压变换器来说具有重要意义。其避免了DC-DC升压变换器在过高或过低占空比状态下工作时，给有源开关管电流和电感电流带来的巨大纹波值，同时又满足了变换器对高电压增益的需求。所以本文所提高增益DC-DC新型拓扑结构相较于文献[10]和文献[11]所提变换器拓扑结构在电压增益上具有明显的优势。

图5 本文所提变换器和其他高增益变换器在CCM

2.2 开关管的电压应力

由式(5)、式(6)可知

(8)

(9)

由工作模态2可知，当有源开关管S关断时电感L1电压VL1、电源电压Vin、电感L2电压VL2串联给电容C1充电。于是有

(10)

由图3可知有源开关管S两端的电压应力VS-stress为

(11)

由图2可知无源开关管S两端的电压应力VD-stress为

(12)

由变换器拓扑结构的工作原理可知，拓扑结构中的有源开关管S1与S2的电压应力相等且均为VS-stress，其中有源开关管S1与S2的电压应力分别用VS1-stress、VS2-stress表示；无源开关管D1、D2的电压应力相等且均为VD-stress，其中无源开关管D1、D2的电压应力分别用VD1-stress、VD2-stress表示。

表2为所提出的高增益的DC-DC变换器的新型拓扑结构、文献[11]所提变换器拓扑结构、文献[10]所提变换器拓扑结构的电压增益及其有源开关管S和无源开关管D上的电压应力参数。由表2可知本文所提新型变换器拓扑结构中无论是有源开关管还是无源开关管上的电压应力，在当占空比D大于0.34时都明显小于文献[11]和文献[10]所提变换器拓扑结构中有源开关管和无源开关管上的电压应力。这使得在变换器元器件选型时，可以选择更低额定电压的元器件，从而达到降低变换器硬件成本的目的。同时较低的有源开关管电压应力能有效地降低其导通阻抗，从而降低能量在有源开关管上的损耗；较低的无源开关管电压应力能有效地降低其反向恢复时能量在无源开关管上的损耗；从而有效降低DC-DC变换器在正常工作时对能量的消耗，进而实现了提高变换器能量转换效率的目的。因此本文所提高增益DC-DC新型拓扑结构相较于文献[10]和文献[11]所提变换器拓扑结构在硬件制作成本和能量转换效率上具有明显的优势。

表2 三种变换器的性能比较

3 实验研究

为了验证上述对本文所提高增益的DC-DC的新型拓扑结构所做理论分析的正确性，现按照图1所示拓扑结构在实验室制作了一台额定功率为200 W的试验板，并进行了开环实验。实验板中所用元器件参数如表3所示。

表3 实验用参数

图6为本文所提高增益的DC-DC新型拓扑结构在占空比D=0.7时的实验波形。图6(a)为实验板的输入输出电压波形，从中可读出其值Vin=10 V、Vo=100 V，其与理论推算值一致。图6(b)为实验板中有源开关管S1、S2两端的电压应力波形，从中可读出其读数VS1-stress=VS2-stress=32 V，其值与理论分析值一致。图6(c)为实验板中无源开关管D1、D2两端的电压应力波形，从中可读出其读数VD1-stress=VD2-stress=65 V，其值与理论分析值一致。因该实验波形数据与理论分析值均一致，从而证明了上述对本文所提出的高增益的DC-DC新型拓扑结构所做理论分析的正确有效性。