基于DCM的級聯(lián)型直流升壓變換器-AET

0 引言

單塊光伏板輸出的電壓一般為33~43 V，逆變并網(wǎng)系統(tǒng)對高壓直流電的要求難以滿足[1]；常見的傳統(tǒng)Boost升壓變換器不適用于電壓增益超過6的場合[2-3]；隔離直流升壓變換器體積大，能量轉(zhuǎn)換效率不高[4-5]，因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)中常用的直流升壓變換器多為非隔離型[7-8]。

針對光伏發(fā)電系統(tǒng)對直流升壓變換器的要求，本文提出了基于光伏發(fā)電系統(tǒng)的要求DCM該模塊的高增益非隔離直流升壓變換器。首先，分析了高增益直流升壓變換器的工作原理和性能特點(diǎn)，并將其主要性能與現(xiàn)階段其他一些高增益直流變換器進(jìn)行了比較。最后，實(shí)驗(yàn)室的額定功率為170 W實(shí)驗(yàn)樣機(jī)證實(shí)了變換器的有效性。

1 工作原理

本文提出的基礎(chǔ)DCM(Diode-Capacitor Module)如圖1所示。為了簡化后續(xù)分析，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的部件假設(shè)如下：（1）忽略結(jié)構(gòu)中所有部件的寄生參數(shù)；（2）結(jié)構(gòu)中所有電感在連續(xù)傳導(dǎo)模式下工作(Continuous Conduction Model，CCM)；(3)結(jié)構(gòu)中所有電容器兩端的電壓恒定。

變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中部分元件的波形如圖2所示。iL1、iL二是流經(jīng)電感L1和L2的電流，VC1、VC電容分別加載C1和C兩端的電壓，VD1、VD二極管分別加載D1和D兩端的電壓Ton、Toff分別是開關(guān)管S在一個時鐘周期T中的導(dǎo)通和關(guān)閉時間。

因?yàn)樗岬降淖儞Q器工作CCM在模式下，有兩種工作狀態(tài)：開關(guān)管S導(dǎo)通和斷開。

(1)開關(guān)管S導(dǎo)通

當(dāng)開關(guān)管S閉合導(dǎo)通時，其等效電路如圖3所示(a)所示。其中二極管D1、D3、D關(guān)閉，二極管D2、D4導(dǎo)通。此時變換器中有電路。回路1：電源VDC通過二極管D二、開關(guān)管S給電感L1充電；電路2:電容C通過開關(guān)管S給電感L1充電；電路3:電容；C3通過二極管D4.用開關(guān)管S給電容器C電源4：電容C3和電容C4串聯(lián)供電負(fù)載R。

回路1可用：

(2)開關(guān)管S斷開

當(dāng)開關(guān)管S斷開時，其等效電路如圖3所示(b)所示。其中二極管D1、D3、D五導(dǎo)通，二極管D2、D4斷開。此時變換器中有電路。回路1：電源VDC和電感L通過二極管串聯(lián)D1給電容C1充電；電路2:電容C1和電感L通過二極管串聯(lián)D3給電容C3充電；電路3:電容C2通過二極管D3和D5給電容C4.電路4:電容C3和電容C4串聯(lián)供電負(fù)載R。

回路1可用：

回路3：

2 性能分析

2.1 電壓增益M

對電感L1使用伏秒平衡：

2.2 電壓應(yīng)力

(1)開關(guān)管S電壓應(yīng)力VvpS

由圖3(b)回路2可知：

(2)二極管電壓應(yīng)力VvpD

由圖3(a)回路1可知：

3 變換器的性能比較

表1列出了變換器和文獻(xiàn)[7]、文獻(xiàn)[8]和傳統(tǒng)Boost連續(xù)傳導(dǎo)模式下電路的性能比較。

由表1中參數(shù)MCCM本文提到的變換器具有較高的電壓增益，能很好地滿足新能源發(fā)電系統(tǒng)對高增益直流升壓變換器的要求。由表1中參數(shù)VvpS可以看出，變換器中的開關(guān)管具有較低的開關(guān)管電壓應(yīng)力，可以很好地減少開關(guān)管中能量的損失。在實(shí)際組件選擇中，低耐壓開關(guān)管可以滿足變換器的需要，可以很好地降低組件的成本。由表1中參數(shù)VvpD可以看出，本文提到的變換器中的二極管具有較低的電壓應(yīng)力，可以有效地減少二極管中能量的損失，有效地提高變換器的整體能量轉(zhuǎn)換效率。

4 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證本文提到的變換器分析的正確性，實(shí)驗(yàn)室根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖1制作了170個額定功率 W實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

圖4顯示了開關(guān)管S柵極與源極之間的驅(qū)動信號Vgs以及漏極和源極兩端的電壓應(yīng)力VvpS由此可見，開關(guān)管S控制信號的比例D=0.5.電壓應(yīng)力讀數(shù)為80 V，符合理論計算值。圖5顯示了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的輸入電壓VDC和輸出電壓VO實(shí)驗(yàn)波形的讀數(shù)分別為20 V和160 V，它與理論計算值一致。圖6顯示了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中的二極管D1和D兩端的電壓值VD1、VD二、即其電壓應(yīng)力VvpD1、VvpD2.讀數(shù)為40 V，與理論計算值一致。

5 結(jié)論

為了滿足新能源發(fā)電系統(tǒng)對高增益直流升壓變換器的要求，滿足電動汽車多級供電的應(yīng)用，本文提出了一個基礎(chǔ)DCM高增益直流升壓變換器模塊。首先，對變換器的工作原理及其性能特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并對其主要性能參數(shù)與現(xiàn)階段其他一些高增益直流變換器進(jìn)行了比較。最后通過實(shí)驗(yàn)室170臺 W實(shí)驗(yàn)樣機(jī)證實(shí)了變換器的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，變換器具有電壓增益高、開關(guān)管及其二極管電壓應(yīng)力低等特點(diǎn)。它能很好地滿足新能源領(lǐng)域高增益直流升壓變換器的要求。

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作者信息:

魏 振，江智軍，楊曉輝

（南昌大學(xué) 江西信息工程學(xué)院 南昌330031）