一种耦合电感高增益开关DC／DC变换器

第49卷第7期 2015年7月 电力电子技术 9， 015 一种耦合电感高增益开关海波，许建平，陈章勇 (西南交通大学，电气工程学院，四川成都610031) 摘要：针对光伏发电并网系统对前级出一种基于耦合电感倍压单元变换器采用输出侧串联结构，提高了变换器的电压增益，同时 引入由二极管和电容组成的箝位电路，有效吸收了漏感能量，抑制了漏感引起的电压尖峰，降低了开关管的电 压应力，提高了效率同时耦合电感倍压单元进一步增加了变换器电压增益。详细分析了变换器的工作原理及 工作特性进行了理论公式的推导，并给出了关键器件的设计步骤。最后通过一台360分析的正确性。 关键词：变换器：高增益；耦合电感倍压单元 中图分类号：献标识码：A 文章编号：1000100X(2015)07000403 A CU 10031，on of CDC in a CDC is a by of ue to of is by is of is is he of is by he of of is is 60 W o51 177140)；o26820131 引 言 为实现光伏的并网发电，需将光伏输出电压 提升到直流母线电压(350400 V)，因此高电压增 益、高效率传统件电压应力 高，开关损耗大且存在电磁干扰(难以实现 较高的电压增益【”。通过引入耦合电感可提高换器的电压增益。但漏感会引起电压尖峰，导致 电压应力增加、效率降低及严重的献24 提出一些解决方法，但均有不足。 基金项目：国家自然科学基金(51177140)；中央高校基本 科研业务费专项资金(2682013定稿日期：20140904 作者简介：邱海波(1989一)，男，湖南株洲人，硕士研究生， 研究方向为电力电子与电力传动。 4 此处结合耦合电感倍压单元与单元，提出了一种新型单开关高增益变换器，该 变换器电压增益高、开关管应力小、效率高，可满 足光伏发电系统对前端 析了该变换器的工作原理给出了关键参数的设 计思路并通过实验对理论进行了验证。 2工作原理分析 高增益个耦 合电感(D：目 ： )，4个二极管和4个电容组成， 如图1所示。其在耦合电感次级绕组s】、倍压电容C 和二极管 成的耦合电感倍压单元提升了变换器的电 压增益，减小了输出二极管电压应力；由耦 合电感次级绕组 ，二极管输出电容 组成的种耦合电感高增益开关电压增益。由二极管吸收电容 组成的 筘位电路吸收了漏感能量，提高了变换器效率，将 降低了图1变换器拓扑 简化分析，将变压器等效为励磁电感 感L 和变比为n。(日 ：p)和ll,2(p)的理想变压 器变换器等效电路图和工作波形如图2所示。 tCc，a)等效电路 = ： 。： ： 、卜r J I l ： 1 一 tl t2 t3 t4 t5 t (b)工作波形 图2变换器等效电路和工作波形 of 一个开关周期内变换器有5个工作模态。 模态1tot1导通，承受反压而关断， 与C 提供谐振电 流通路而导通。同时由于两端电压近似 为 ， 电流i 线性上升直到(t) ( L )(一(1) 模态2t。一t：t 时刻，收电路中的 通，将当 与模态结束。 i (t)= (t，)+( k)( (2) 模态3【t：t3电流谐振到零，承受反压而关断，i 通过吸收电路中的 充电。 两端电压为 n：，时 能量通过负载释放。当i 下降到零 时，该模态结束。 ()= ( (】( (3) 模态4t3t4=0，断，合电感次级、 和负载放电。续导 通为 提供续流通路，直到模态结束。 n：=( )(4) 模态5t4 t 】t 时刻，次级电流 和 啦线性下降。由于存在 ，次 级电流的变化率在一定程度上得到了抑制，从而 减缓了二极管的反向恢复损耗。在t 时刻， 吼下降到零，电路回到模态1。 3特性分析与设计 31 电压增益 为简化分析，忽略 的影响，即忽略模态2 和模态5。同时假定所有电容电压都保持恒定。变 换器主要模态的等效简化电路如图3所示。 国 圆 弧 幽匿 。2 (a)模态1 (b)模态3 (c)模态4 图3各模态等效简化电路 of 上的电压为：n 。 当模态3的简化电路可知： U1=U =【， +(， ，n (5) 根据 的伏秒平衡，可得 两端的电压为： U=1一D)， ，表达式 及式(4)，(5)可得： = (1一D)， 。= + + t=(1+(1 即可得输出电压表达式为： 1+1+n1+1(6) 则变换器增益为： =(1+)(1(7) 由式(7)可知，通过选取合适的变压器匝比， 容易获得较高的电压增益。图4为相同变压器变 比下高增益变换器的 随图4电压增益比较 第49卷第7期 2015年7月 电力电子技术 9 015 由图4可知，所提出的变换器的电压增益远 高于其余两种变换器的电压增益。 32器件应力分析 由工作模态分析可知，= =11+n +n )(8) 电压应力分别为： f 椭= 帅=1一D) 【 一= =n (1 电压应力分别为： f t栅= 一=n (1， 【(，【 + (1、 由式(8)可知，开关管的电压应力与耦合电感 匝比有关，低于输出电压。可通过调节匝比，采用 低电压等级、低导通电阻的成本，提高转换效率。 33主要参数设计 下面给出变换器输入电压 为2456 V，输 出电压80 V，额定功率60 W。变换器工 作频率 =100 331 变压器设计 变压器是所提出的高增益变换器的核心。由 式(7)至式(10)可知，占空比越大，变换器的电压 增益越大。但二极管和开关管的电压应力也越大。 故占空比范围取0307。当匝比关系为nl=n ：n 时，有乃= (1D)一1(1+D)，则合理的变压器匝 比为17，取匝比n=21。此时，当 为2456 V 时，对应的07。选择，其有效截面积A =971 25时饱和磁 通密度B=510 虑一定温度和磁通裕量，取 磁通变化率0B ，则初级匝数口= (=级匝数自。=26。 332 器件应力分析可知，二极管中电压应力最大。当n=21，D=04时，6V， =(，、 姻=203 V(均取3倍电压裕量)。 333 电容设计 电容对所提出的高增益变换器的稳定输出起 重要作用，其设计主要考虑电压纹波。电压纹波 与电容容值的关系为：c。当 5 值至少为525 F。 4实验验证 在理论分析的基础上制作了一台360 验样机进行验证。主开关管为额 6 定参数为300 V30 A；导通电阻为78 二极管 均采用快恢复二极管额定参数为 600 V8 A； 的 均采用220 50 图548 V，80 V，60 验结果，实验波形与图2理论波形基本吻合，验 证了理论分析的正确性。由实验波形可知，开关管 电压应力接近电容电压 ，说明箝位电路很好的 限制了开关管的电压应力降低了变压器漏感对 开关管的影响。图5图5该变换器具有较高的效率，最高可达937。 划 _ 一 _f i i f r 一 _一一 。 卜，一 ， 、 _ 、 t(2 ) (a) 。 1 广 1 t J1髓 I 上 ； ： J 1 uo t(2 ) w (c)“d ，(， 和碥波形 (d)变换器效率 图5实验波形 结 论 针对光伏发电并网系统，研究了一种高增益 非隔离析了其工作模态和特 性。理论分析和实验结果表明，该变换器具有高效 率、高电压增益和低开关管电压应力的优点