低占空比高增益Δ 源DC-DC 变换器

房绪鹏，李鑫媛，阚兴宸，薄常辉

(山东科技大学电气与自动化工程学院，山东 青岛 266590)

近年来，我国化石燃料能源正逐渐失去其主导地位，新能源持续快速增长，在电网中占比日益提高，逐步进入大规模发展阶段，目前风电、太阳能装机容量均居世界第一[1]。新能源发电随着技术与经验的成熟，定会成为我国最重要的发电方式之一[2]。

因此，许许多多的功率变换器应运而生，例如供给直流负载的DC-DC 转换器，供给交流负载的DCAC 传统逆变器或者需要经过升降压逆变才能供给交流负载的改进型逆变器。随着新能源发电技术的不断进步，研究者们对变换器种类和性能的研究也在不断深入。例如，2002 年出现的Z 源逆变器[3]，由于其优良的性能，被广泛应用于很多领域，但存在输入电流不连续、没有公共接地的缺点。此后，学者们又相继提出各种性能更加优良的准Z 源结构[4]、开关电感结构[5]、耦合电感结构[6]等。特别是近几年才被提出的耦合电感结构，以其升压灵活、升压能力更强的优点，在很多领域得到了应用。

文献[7]提出了一种Y 源变换器，虽然它具有连续的输入电流和公共接地，但是这种转换器在较低的占空比下具有较低的电压增益。之后，学者们深入研究提出了性能更加优越的Y 源变换器[8]，文献[9-10]中所述的变换器是其他类型的阻抗源变换器，其中电压增益取决于占空比，高占空比条件下才能获得高电压增益。在高占空比下工作意味着更大的开关损耗，此外，组成这些变换器的元件数量很多，增加了成本。由此有些学者又相继提出了Δ 源变换器[11-13]，它是一种新型的三耦合电感的阻抗源变换器。与传统的Y 源网络相比，传统Δ 源网络具有更小的漏感。此外，其绕组较小，从而提高了效率。该结构的另一个优点是其较小的磁化电流，从而使铁芯尺寸更小。该结构的缺点是由于磁化电流纹波较大，其铁芯损耗较高。本文提出的Δ 源变换器不仅继承了上述网络的优点，还实现了工作在较低占空比下仍能获得较高的升压因子，而且磁化电流和磁化电流纹波都有所减小。

1 低占空比高增益Δ 源变换器工作原理

图1 为所提出的Δ 源变换器主电路，它是在准Z 源和Δ 源变换器基础上提出的。将准Z 源变换器和传统Δ 源变换器拓扑进行融合，在传统Δ 源变换器拓扑中加入电感、电容、二极管等器件，使得新拓扑具有这两类变换器的双重优点。

图1 低占空比高电压增益Δ 源变换器

该电路主要有两种运行状态:直通状态(开关S导通)和非直通状态(开关S 关断)。这两种状态的等效电路如图2 所示。

图2 低占空比高电压增益Δ 源等效电路图

当电路处于直通状态时，如图2(a)所示，负载侧直通状态等效成短路，电源Vin与电感L、电容C1构成回路，三角耦合网络和电容C2、电容C1分别构成回路。对磁化电感Lm和电感L列写KVL 方程有:

当电路处于非直通状态时，如图2 所示，二极管D1，D2均不导通，负载侧处于正常状态。由于负载一般是感性的，将其等效为一个电流源，这时直流电源和电感L以及耦合电感网络一边向电容C1、C2充电，一边向负载供电，对磁化电感Lm和电感L列写KVL 方程:

通过在一个开关周期对磁化电感Lm和电感L上的电压应用伏秒平衡公式可列出:

由以上公式得:

低直通占空比高增益变换器电压增益为:

式中:K为变比，d为占空比。

为了更好地比较分析该变换器的优越性能，本文对传统Δ 源(如图3)进行了简单介绍。由文献[11]可得其主要参数如表1 所示。

图3 传统Δ 源变换器

表1 Δ 与IΔ 变换器各项参数对比

表1 简要比较了两种阻抗网络的不同参数。很明显，IΔ 具有低占空比高电压增益的优点，同时磁化电流降低，磁芯尺寸变小。在相同的输入电压下，电容器电压应力也大大减小。

2 低占空比高增益Δ 源特性分析

2.1 升压能力的比较

为了更好地说明所提出变换器的升压性能，图4绘制了该变换器在不同K和d值下的电压增益，由图中不难发现，本文提出变换器工作在低占空比下仍能获得较高的电压增益，降低了开关损耗，提高了输出质量。

图4 电压增益曲线

2.2 磁化电流和磁芯尺寸比较

ST 段时间的最大储能决定磁芯尺寸。最大能量与最大磁化电流的平方有关，可通过以下公式计算:

式中:Im和Δim分别为磁化电流的平均值和纹波值。从理论上讲，磁化电流im由绕组电流根据安培定律确定如下:

在直通状态下，很显然可以由图2(a)和式(13)列出:

由式(14)～式(16)得:

同理在非直通状态下可得:

由式(19)～式(21)可得:

将每个状态的平均电流代入式(17)、式(18)、式(22)、式(23)，ST 和NST 状态下的平均电容器电流计算如下:

在开关周期内，对电容器C1、C2进行安培秒平衡计算得出平均磁化电流平均值如下:

同时，磁化电流的纹波分量为:

在NST 状态下，磁化电流纹波可以表示为:

通过对Δ 源采用相同的方法，可获得磁化电流的平均值和纹波分量的以下结果:

Im和Iin分别是磁化和输入电流的平均值。从式(28)和(31)可以清楚地看出，IΔ 网络的平均磁化电流低于传统的Δ 源网络。同理可由式(30)和式(32)比较得出，IΔ 磁化电流纹波值也小于Δ 源变换器。由此可见，IΔ 磁芯尺寸要远小于Δ 源变换器的磁芯尺寸。

2.3 IΔ 的工作效率

图5 为该变换器工作状态下的仿真效率曲线，传输效率较高。

图5 工作效率曲线

3 仿真及实验结果

为了验证理论的正确性，在MATLAB 软件中对所提出电路进行了仿真，并将仿真结果与实验室制作样机的实验结果进行了比较，实验参数与仿真参数保持一致。原型参数列于表2。

表2 仿真和实验参数

绕组匝数比选择为60∶40∶20。对于IΔ 占空比的选择，为了更好地体现其低占空比高升压因子的优良特性，取d＝0.1，K＝3。

变换器在正常工作状态下的仿真波形如图6 所示。实验样机如图7，选用DSP 芯片TMS320F28335产生的调制信号，控制开关管的导通与关断。图8为电路的实验波形，由实验结果可以看出，IΔ 实现了低占空比较高增益输出。受开关管内阻等因素影响，该变换器的实际输出电压与理论值存在一定误差，但实验结果在误差允许范围内，验证了理论分析的正确性和可靠性。

图6 仿真图形

图7 实验样机

图8 实验波形

4 结束语

本文研究了一种低占空比高增益Δ 源DC-DC变换器，介绍了所提出变换器的电路拓扑、工作原理，通过仿真和实验验证了本文所提出变换器的工作特性。它不仅继承了传统Δ 源DC-DC 变换器的优良特性，而且其工作在低占空比条件下升压能力有了进一步提升，实现了更高的电压增益，传输效率较高，体积较小，应用领域更加广泛。