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第 5 0卷 第 8期 2 0 1 6年 8月 电力 电 子技 术 P o we r El e c t r o n i c s Vo 1 5 0No 8 Au g u s t 2 0 1 6 耦合电感准 z源高升压增益变换器 张梦娜 ，许建平 ，陈章 勇 ( 西 南交通 大学 ， 电气工 程学 院 ，四川成 都6 1 0 0 3 1 ) 摘要： 在此提出一种基于耦合 电感的准 z源高增益变换器 。 利用 z源网络的直通状态实现变换器的升压特性 同时通过调节耦合电感变比， 无需极限 占空比即可实现变换器的高升压增益特性。相比于传统的 z源变换器， 该变换器开关管电压应力减小 ，可选取低电压等级、低导通电阻的 MO S F E T以减小导通损耗 。提高变换器效 率 ； 漏感能量通过二极管放 电到电容， 有效利用 了漏感能量 ， 不会造成开关的电压尖峰 ， 无需额外 的电路吸收 网络； 此外， 该变换器的输入 电流连续 ， 适用于新能源发电应用场合。在此详细分析了变换器工作于电感电流 连续模式( C C M) 的工作原理和直流稳态特性 ， 给出了电路参数设计步骤及变换器功率损耗分析。最后， 搭建了 实 验平 台验证 了理论 分析 的正确 性 。 关键词 ： 变换器 ：耦合 电感 ：高增益 中图分类号： T M4 6 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 0 1 0 0 X ( 2 0 1 6 ) 0 8 0 0 0 8 0 5 Hi g h V o l t a g e Ga i n Qu a s i z - s o u r c e B a s e d o n DC DC Co nv e r t e r W i t h Co u pl e d i nd uc t o r Z HAN G Me n g n a ，XU J i a n - p i n g，C HE N Z h a n g - y o n g ( S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： A h i g h v o l t a g e g a i n q u a s i Z- s o u r c e b a s e d DC DC c o n v e rt e r wi t h c o u p l e d i n d u c t o r i s p r o p o s e d Hi g h v o l t a g e g a i n i s o b t a i n e d t h r o u g h s h o o t - t h r o u g h s t a t e o f Z - -s o u r c e n e t wo r k a n d r e g u l a t i o n o f t h e f r e e v a ri a b l e o f c o u p l e d - - i n d u c t o r r a t i o wi t h o u t e x t r e me d u t y r a t i o T h e p r o p o s e d c o n v e e r h a s l o w e r v o l t a g e s t r e s s c o mp a rin g t o c o n v e n t i o n a l Z s o u r c e D C D C c o n v e rt e r ， t h u s l o w v o l t a g e MO S F E T s w i t h s m a l l R D C ( o n )c a n b e s e l e c t e d t o r e d u c e t h e c o n d u c t i o n l o s s a n d i mp r o v e c o n v e r t e r e ffi c i e n c y Th e l e a k a g e i n d u c t a n c e e n e r g y i s e ff e c t i v e l y u t i l i z e d wh e n d i s c h a r g i n g t o c a p a c i t o r t h rou g h d i o d e， wi t h o u t c a u s i n g v o l t a g e s p i k e o n MOS F E T Ab s o r b c i r c u i t i s n o t r e q u i r e d T h e p r o p o s e d c o n v e rt e r h a s a d v a n t a g e s o f c o n t i n u o u s i n p u t c u r r e n t ， a n d c a n b e a p p l i e d t o n e w e n e r g y a p p l i c a t i o n s A d e t a i l e d a n a l y s i s o f o p e r a t i n g p ri n c i p l e s a n d t h e s t e a d y s t a t e c h a r a c t e ri s t i c s i n c o n t i n u o u s c o n d u c t i o n m o d e ( C C M)i s p r e s e n t e d ， a l o n g w i t h c i r c u i t d e s i g n p roc e d u r e a n d t h e o r e t i c a l p o w e r a n a l y s i s E x p e ri me n t a l p l a t f o r m i s b u i h t o v e rif y t h e c o r r e c t n e s s o f t h e a n a l y s i s Ke y wo r d s： c o n v e rt e r ；c o u p l e d i n d u c t o r ；h i g h v o l t a g e g a i n F o u n d a t i o n P r o j e c t ： S u p p o rt e d b y N a t i o n a l N a t u r al S c i e n c e F o u n d a t i o n o f C h i n a ( N o 5 1 1 7 7 1 4 0 ， 6 1 3 7 1 0 3 3 ) 1 引 言 在大功率光伏发 电并 网系统中 光伏 电池组 串联后通过集 中式光伏逆变器接入 电网 ， 然而 ， 在 阴影情况下 。串联式光伏 电池组 的光伏 电池利用 率和可靠性低 。 在 中小功率光伏发 电场合 ， 具有高 升 压增 益 D C D C变换 器 的光伏 电池组 架 构可独 立 实现 光伏 电池的最大功率跟踪 ( MP P T ) ， 有 效提 高了光伏 电池 的利用率 。 因此 ， 具有高升压增益 的 变换器近年来得到广泛关注 。 基金项 目： 国 家 自然科 学基金 ( 5 1 1 7 7 1 4 0， 6 1 3 7 1 0 3 3 ) 定 稿 日期 ： 2 01 5 一l l 一 0 4 作者 简 介 ： 张 梦娜 ( 1 9 8 9 一 ) ， 女 ， 陕西 西安人 ， 硕 士研 究 生 ， 研 究方 向为 高增益 变换 器设 计等 。 8 传 统 B o o s t 。 B u c k B o o s t 变 换器 通过 有 效控 制 占空 比可实现升压增益特 性 但变换器 寄生参数 的存在 使得其升压增益受限。 通过增加耦合 电感 变 比， 文献 1 2 1 提 出的变换器拓扑可实 现高升压 增益特性 ，通过采 用无源 吸收或有源吸收 电路吸 收漏感带来的尖峰振荡现象 以减小开关管两端 的 电压应力 。但 有源 吸收 电路需额外增加一个开关 管 ， 增加 了系统的控制复杂度 。通过将 F l y b a c k变 换器 和 B o o s t 变 换器f 3 的输 出叠加 可实 现高 升压 增益特性 。却导致输 出二极管 的电压应力大于输 出电压 需要选取较 高耐压等级 的开关器件 ， 从而 增加 了变换器 的成本。电压升举技术【 4 1 、 开关 电容 技术 5 、 开关 电感技 术【 1 和倍 压单 元技术 7 均可 以 提升变换器 的电路增益 ， 然 而 ， 为 了获取更 高的 电 耦 合 电 感 准 Z 源 高 升 压 增 益 变换 器 压增益 ， 需级联较多的 电路单元 ， 增加 了变换器 的 复杂度 ， 降低 了系统的效率。 耦合电感技术可实现 变换器的高升压增益特性 ，减 小 电路开关器件 的 电压应力 。 从而可 以选取低 电压等级 的开关器件 减 小变换器 的成本和提升变换器 的效率 。 然而 ， 耦 合 电感技术 的引入 导致变换器 的输入 电流不连 续【 需要较大 的输入滤波 器 ， 且为 了获得较 高 的 升压增益 需采用较高的变压器匝 比， 从而增加 了 耦合 电感的损耗和绕制难度 。 Z源 D C D C变 换器 和准 z源 D C D C变换 器 的增益均为 ( 1 一 D) ， ( 1 2 D) ， 具有在较 小 占空 比下 得到较大 电路增益 的特点 相对 于 z源 D C D C变 换器。 准 z源 D C D C变换器具有： 输入 电流连 续； 中间电容 c ： 电压小； 输入输出共地。 这里 在准 Z源 D C D C变 换器 的基础 上 提 出一种 耦合 电感准 Z源高升压增益变换器 利用耦 合 电感技 术提高准 z源 D C D C变 换器 电压增益 ， 减 小 电路 开关 电压 应力 ， 提高 电路效率。 在此分析 了所提变 换器 工作在 C C M 的工作原理和稳态特 性 。 给 出了 电路参数设计步骤 以及变换器功率损耗 分析 。最 后 ， 搭建 了实验平 台验证 了理 论分析 的正确 性。 2工作 原理 分 析 图 1为所提耦合 电感准 z源 高升压增 益变换 器 电路 图。 电路 由 L ， ， C - ， C z ， C ， ， 变 比为 b p ： n 的耦 合 电感 L ： ， ， 二极 管 V D 。 ， V D ： ， 开关管 V组成。 图 1 变换器 电路 F i g 1 T h e c i r c u i t o f c o n v e r t e r 图2为等效电路图，其中耦合电感由励磁 电 感 m 、漏 感 及变 比 r t p ： 凡 = 1 ： n的理想变 压器 等 效 。开关 闭合时 ， V D ， VD 2 关 断 ， C ， ， ， C 3 放 电； 开 关关 断时 ， V D ， V D 导通 ， C ， ， 充 电。开关 关 断期间， 能量通过 V D 放电到 C 。 ， c ，不会造成 开关 的电压尖峰 。 图 2等效 电路 F i g 2 E q u i v a l e n t c i r c u i t 为简化分析， 假设： 所有电容、 电感和变压 器的励磁 电感足够大 在一个开关周期 内认为 电 容 电压 、 电感 电流 、 励 磁 电流保持 不变 ； 负载为 阻性。当变换器工作于 C C M 时 ， 一个开 关周 期内 存在 3个 工作模态 ， 主要工作波形如图 3所示 。 图 3所 提变 换器主 要工作 波形 F i g 3 T y p i c a l wa v e f o r ms o f t h e p r o p o s e d c o n v e r t e r 模 态 1 t o t t 。 时刻 ， V导通 ， V D 1 承 受反压 关断。 两端 电压 U L = + 0 ， 的电流线性上 升 ， 电压 = u o + n 0 ， i 。 迅速上升 。 = 一 1 7 , ， 则 线性 下降 。I v m= ( I p ) n ， 线性 下降 ， 直到 下降为零 ， 该模态结束 。 模 态 2 1 - t 2 t 1 时刻 ， V D 2 关断。u L 1 = + 0， 则流过 的电流为 ： 厶， ( ) ： 厶 。 ( t 1 ) + ( ) ( 1 ) 厶 1 和 为 。 充 电， 厶 。 继续线性上升 。 O， 为 和 充 电， 初级 电流线性上升 ： ， p ( ) = ) + 彘( H - ) ( 2 ) 模 态 3 t 2 t 3 t 2 时刻 ， V关 断 ， V D l ， V D 2 承受 正压 导通 ， U L = 一 。 0 ， 。 ， 给 C 。 充 电 ， 厶 线性 下降， 则有 ： ( ) ： 厶 ( ) + ( ： ) ( 3 ) L 1 = 一 n ， L 给 c ， 充 电， 线性下 降： I m ( t ) = I m ( t ) 一 坦( H 2 ) ( 4 ) L m =一 n 一 3 2 2 F( 2 0 ) 7 7 则 C ， 容值为 4 7 0 I L F， C 3 容值 4 7 F 。 4 3电 感 设 计 厶为 电感 电流纹波 ， 电感 电流 临界连续 的条 件为 厶， 为使 电路工作在 C C M， 选取 ： 1 = L - 6 7 6 i x H ( 2 1 ) 为使 电路工作在 C C M， 选取变压器励磁 电感 ： ： ： ， Lm U ， a D r T 一 3 8 7 H ( 2 2 ) 厶 m m 4 4开 关 器 件 由式 ( 1 5 ) 得到开关 管电压应力为 ： 置 _ 一=1 71 4 V ( 2 3) 1 2 D 、 。 开关 闭合时 ， 流过 开关的 电流为 ： = L = 鲁 = 9 2 A ( 2 4 ) 开 关 电流的有效值为 ： ( ) = 一5 5 A ( 2 5 ) 由于 寄 生参 数 的存 在 ， MO S F E T的击 穿 电压 大于计算值 ， 选择开关管 型号为 I P P 1 1 0 N 2 0 N 3 G。 二极管 的电压应 力为 f - = ( 1 一 ) = 7 V( 2 6 ) 【 U v o 2 = n c 1 + c 3 = n g ( 1 2 D) = 3 4 3 V 开关 闭合 ， 二极管导通时 ， 流过二极管电流为 ： ， m 一 rs- 鲁 - 6 5 A 、 I = 昔 击 3 A 因此 ， 选 择二极管 V D 型号为 S T r H 3 0 0 3 C W， 选择变压器次级二极管 V D ， 型号为 S rI T I H6 0 o 4 W。 5 功 率损 耗分 析 5 1 MOS F E T 功 率 损 耗 MO S F E T损 耗 主 要 分 为 通 态 损 耗 和 开 关 损 耗 。通态损耗 由 MO S F E T导通 电阻和 电流有效值 决定 。I P P 1 1 0 N 2 0 N 3 G导通 电阻为 1 O 7 m 1 2 ， 因此 MO S F E T的通态损耗为 ： 尸 c = ( ) D s ( ) = 5 5 x 0 0 1 0 7 = 0 3 2 W ( 2 8 ) 开关损 耗主要 由导通损 耗和 关断损 耗组成 ， 导通损耗为 ： p 一 1 71 4x 9 2 x2 6x1 0 ( ) 一 _ 一 T 一 式中： t 为上升时间， t = 2 6 a s 。 关断损耗为 ： D一已 f 一 1 71 4x 9 2 xl l xl 0 ( ) 一 一一 一 式中： t f 为下降时间， 这里 t f = 1 1 n s 。 =2 0 4 W ( 2 9 ) = O 8 7W f 3 0 ) 则 M0 S F E T功率损耗为 ： 尸 I 璐 = P c 叽 十 ( ) + ( ) = 3 2 3 W ( 3 1 ) 5 2二 极 管 功 率 损 耗 二极 管的导通损耗等于二极管正 向压 降乘 以 二极管平均 电流 则二极管功率损耗为 ： P v o = P w 1 + = 4 8 5 W ( 3 2 ) 5 3 电容 功 率 损 耗 电容 等 效 串联 电阻是 电容功 率 损耗 主 要 因 素。 设 4 7 0 F电容等 效串联 电阻为 1 2 0 m1 2， 4 7 F 电容等效 串联 电阻为 5 0 m f l 。 则电容功率损耗为 ： f P c 。= ( ， n ) 2D + ( 厶 。一 l o ) ( 1 - D ) c 1删 1 4 4 w ( 。 ) zD + ( ) ( 1 - D ) 0 7 4 W ( 3 3 ) 【 P = ( ) 2 D + ( ， v ， 0 ) ( 1 - D ) c 3E sIl= 0 0 3 W 则 电容功率损耗总共为 ： 尸 + + = 2 2 1 W ( 3 4 ) 5 4其 他 功 率 损 耗 其他功率损耗主要 为 电感及耦合 电感磁芯损 耗 。 查 E T D 3 4的磁芯损耗为 1 6 W， 则总损耗约为 3 2 W。则变换器 的效率计算值为 ： n1 - 7 。丽 9 3 6 ( 3 5 ) 11 第 5 0卷 第 8期 2 01 6年 8月 电力 电子 技 术 P o w e r E l e c t r o n i c s Vo 1 5 0N o 8 A u g u s t 2 01 6 6实 验研 究 7结论 为验 证理论分析 的正确性 ， 搭建实验平台。 实 验参数 以及 元器件 型号为 ：开关频率 为 1 0 0 k H z ： L = 9 0 H， 耦合 电感变比 n = 2 ， 励磁 电感 II l= 1 0 0 H， 初级漏感 k = 5 H； C 1 = C 2 = 4 7 0 tx F， C 3 = 4 7 t x F ； 开关 管 型 号 I P P 1 1 0 N 2 0 N 3 G； V D 】型 号 S 3 T H3 0 0 3 C W， V D 2 型号 S 1 T I H 6 0 0 4 W。 图 6为输入 电压 4 8 v。 输 出电压 2 2 0 V 负载 功率 2 0 0 W 的实验波形 。 2 iU c 2 6 o !v u c , # 一 ： ： 图 6变换器 工作 波形 F i g 6 Op e r a t i o n a l w a v e for m o f t h e p r o p o s e d c o n v e e r 可见 ，所提 出变换器可 以在较 小的 占空 比下 获得较大 电压增益 ， 占空 比仅 为 0 3 6 。由图 6 c中 波形 可见 ， 因为 C 。 ， C 2 远大于 MO S F E T寄生 电 容 ， 变压器漏感不会造成开 关的电压尖峰 ， 无需 额外 的吸收 电路 。由图 6 c中 波形可 见 ， 由于 电路 占空 比很小 ，整流 二极 管 V D 的反 向恢复 问 题较小 。可见实验波形和理 论分析基本一致 。 图 7示 出 2 2 0 V输 出电压时 所提变 换器和 准 z源 D C D C变换器 的效率 曲线 。可知 ， 相对于 准 Z源 D C D C变换器 所提变换器 效率有 了明显 提高 。当变换器工作于 2 0 0 W 时，变换器效率最 高可达 9 3 2 ， 与计算值 相差 了 0 4 。 由于线损 等其他损耗 的存在 此差值在合理范 围内。 1 0 9 9 8 8 7 所 提 变换 器 。 7 户 一 一 r 准z 源D c D c 变换器 、 ， P 图7电路效率对比 F i g 7 C o mp a ri s o n o f c o n v e rte r e f fi c i e n c y 1 2 在此提 出一种耦合 电感准 Z源高升压增益变 换器 。 分析 了变 换器 的工作原理和直流稳 态特 性 给 出了电路参数设计步骤 以及变换器功率损耗分 析 。 搭建 了实验平 台验证 了理论分析 的正确性 实 验结果表 明。 耦合 电感准 Z源高升压增益变换器具 有以下优点： 创新性的利用 z源网络升压增益高， 且可 以在较小 的占空 比下得到较大 的电路增益等 特 点，减小因极限 占空 比造成 的二极管反 向恢复 问题 ； 引入 耦合 电感技术 通过有效调节耦合 电 感 变 比控制 自由量 即可 实现 变 换器 的高升 压增 益 。 同时为减 小电路开关 电压应力 。 可选择 电压等 级低 、导通 电阻小 的 MO S F E T，减小 电压导通损 耗 ， 增加电路效率： 漏感能量通过二极管流入中 间 电容 、 输 出电容 有效利用漏 感能量 ， 不会造成 开关 电压尖峰 。 参考 文献 【 1 】 Wi l l i a m Mc Mu r r a y S e l e c t i o n o f S n u b b e rs a n d C l a m p s t o O p t i m i z e t h e D e s i g n o f T r a n s i s t o r S w i t c h i n g C o n v e e rs J I E E E T r a n s o n I n d u s t r y A p p l i c a t i o n s ， 1 9 8 0 ， I A一 1 6 ( 4 ) ： 51 3 -5 23 【 2 】 罗全明， 张阳， 闫欢 ， 等 一种带耦合 电感的有源 箝位高增益 B o o s t 变换器 J 中国电机工程学报 ， 2 0 1 4， 3 4( 2 7) ： 4 5 7 6 4 5 8 3 3 】 吴 红飞 ， 古 俊银 ， 张 君 君 ， 等 高 效 率 高增 益 B o o s t F l y b a c k直流变换 器 J 中 国电机 工程学 报 ， 2 0 1 1 ， 3 1 ( 2 4 ) ： 40-45 4 】 F L L u o P o s i t i v e O u t p u t L u o C o n v e rt e rs： V o l t a g e L i f t T e c h n i q u e 【 J 】 I E E P r o c E l e c t r P o w e r A p p l ， 1 9 9 9 ， 1 4 6 ( 4 ) ： 41 5 -432 5 】 B o ri s A x e l r o d ， Y e fi m B e r k o v i c h ， A d ri a n I o i n o v i c i S w i t c h e d c a p a c i t o r S wi t c h e d I n d u c t o r S t r u c t u r e s f o r G e t t i n