一种耦合电感高增益开关DC／DC变换器研究论文电子版下载.doc

一种耦合电感高增益开关DCDC变换器研究论文电子版下载 第49卷第7期xx年7月电力电子技术Power Electronics Vo149，No7Julyxx一种耦合电感高增益开关DCDC变换器邱海波，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DCDC变换器的要求，提出一种基于耦合电感倍压单元Boost变换器和f lyback变换器的高增益非隔离DCDC变换器。 该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360W的实验样机验证了理论分析的正确性。 关键词变换器高增益；耦合电感倍压单元TM46A1000100X (xx)07000403A CoupledInductor HighGain SwitchingDCDC ConverterQIU Hal-bo，XU Jianping，CHEN Zhangyong(Southwest JiaotongUniversity，Chengdu610031，China)AbstractBased onthe requirementsof the front stageDCDC conver ter inphotovohaic grid-connected systems，a high gain nonisolated DCDC converter ispresented tllcoupled inductor voltage doublercell andf lyback converter cell whichpossesses ahigh voltagegain byintroducing theser ial structureof theoutput termina1Due toemploying theclamp circuitwhich consistso fdiode andc apacitor，the leakageinductance energyis absorbedef fectively，and the voltagespike causedby the leakageinductanc eis suppressed，the voltagestress o f theswitch isreduc edand thee fi-ciency isimprovedThe voltagegain of the converteris increasedfur therby usingthe coupledinductorvoltagedoubler unitThe workingpr inciple and the performanceof theconverter areanalyzed，and therelevant theoryformulas arededuced，andthedesign processof the keydevice isgivenFinally thetheoretica lana lysis isva lidated through the360W experimental prototypeKeywordsconver ter；highgain；coupled inducervoltage doublercell FoundationProjectSuppor tedby National Natural ScienceFoundation ofChina(No51177140)；T he FundamentalResearch Fundsfor the Central Universities(No268xxZT20)1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(350400V)，因此高电压增益、高效率DCDC变换器不可或缺。 传统Boost变换器结构简单，器件电压应力高，开关损耗大且存在电磁干扰(EMI)，难以实现较高的电压增益【”。 通过引入耦合电感可提高Boost变换器的电压增益。 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EMI。 文献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(268xxZT20)定稿日期xx0904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f lyback变换器单元，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DCDC变换器的要求。 分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DCDC变换器由1个主开关管V，1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Boost变换器单元的基础上引入由耦合电感次级绕组s】、倍压电容C和二极管VD组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VD。 的电压应力；由耦合电感次级绕组，二极管VD和输出电容组成的f lyback变换器单元进一步提升了变换器一种耦合电感高增益开关DCDC变换器的电压增益。 由二极管VD和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V两端电压箝位在，降低了V的电压应力。 图1变换器拓扑Fig1Converter topology为简化分析，将变压器等效为励磁电感Lm,漏感L和变比为n。 (日p)和ll,2(NaNp)的理想变压器变换器等效电路图和工作波形如图2所示。 tC c，uc cl VDI，IVDm(a)等效电路=U卜、。 ?、卜r JIVDm l1一tl t2t3t4t5t(b)工作波形图2变换器等效电路和工作波形Fig2Equivalent circuitand waveformsof theconveer在一个开关周期内变换器有5个工作模态。 模态1tot1to时刻，V导通，VD1，VD2和VD因承受反压而关断，VD为与C提供谐振电流通路而导通。 同时由于LdLk，两端电压近似为，电流i线性上升直到V驱动信号结束。 (t)(t0)+(L)(一t0) (1)模态2t。 一tt时刻，V关断，吸收电路中的VD。 导通，将V两端电压箝位到。 当与cm和的谐振电流下降到零时，该模态结束。 i(t)=(t，)+(k)(t-t) (2)模态3【tt3t2时刻，电流谐振到零，VD因承受反压而关断，i通过吸收电路中的VD对充电。 两端电压为n，iLm线性下降，同时能量通过VD，VD向负载释放。 当i下降到零时，该模态结束。 ()=(tz)一(n2L)】(t-t) (3)模态4t3t4t3时刻，=0，VD。 关断，通过耦合电感次级、和VD向负载放电。 VD继续导通为提供续流通路，直到V导通，该模态结束。 n=(-一一)In (4)模态5t4t】t时刻，V导通，i雎开始线性上升，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，vD和吼下降到零，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l审。 2c c+u Ns l回(a)模态1(b)模态3(c)模态4图3各模态等效简化电路Fig3Equivalent simplif i edcircuits ofdif ferentmodes当V导通时，C上的电压为Ucm=n。 当V关断时。 由模态3的简化电路可知U1=rL1Uc口2，n2，U=【，+(，n (5)根据的伏秒平衡，可得两端的电压为U=n2Dus，(1一D)，D为占空比。 由，表达式及式 (4)， (5)可得=(1一D)，。 =+t=(1+n1)(1-D)。 即可得输出电压表达式为uo=1+Uca=(1+n1+n2D)l s(1-D) (6)则变换器增益为=(1+n1+)(1-D) (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Boost变换器，Boostf lyback变换器和所提出的高增益变换器的随D变化的曲线。 图4电压增益比较Fig4Voltage gainparison5第49卷第7期xx年7月电力电子技术Power ElectronicsVo149N07Julyxx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，v上的电压应力为=us(1-D)=Uo(1+n+n) (8)VD。 和VD的电压应力分别为f椭=帅=us，(1一D)?【一=n(1-D)VD。 和VD的电压应力分别为ft栅=一=n(1-D)，【(，vD2由=【+rt2=(1-D)、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MOSFET来降低变换器成本，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2456V，输出电压uo=380V，额定功率Po=360W。 变换器工作频率=100kHz时变换器的主要参数设计。 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17-28，取匝比n=21。 此时，当为2456V时，对应的D的范围为0407。 选择ETD34磁芯，其有效截面积A=971mm2。 在25时饱和磁通密度B=510mT，考虑一定温度和磁通裕量，取磁通变化率AB=60B，则初级匝数口=(ABA。 )=l2，次级匝数自。 =26。 332MOSFET和二极管设计由器件应力分析可知，二极管中VD和VD的电压应力最大。 当n=21，D=04时，Uv一=96V，Uvo一=(，、姻=203V(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cPo(aUcUo)。 当5V时，C值至少为525F。 4实验验证在理论分析的基础上制作了一台360W的实验样机进行验证。 主开关管为P30NM30N，其额6定参数为300V30A；导通电阻为78II。 二极管均采用快恢复二极管MUR1660。 其额定参数为600V8A；Co和cm均采用68的CBB电容，c0和均采用220IxF450V电解电容。 图5a-c为=48V，uo=380V，Po=360W时的实验结果，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5d为效率曲线，由图5d可知。 该变换器具有较高的效率，最高可达937。 划ds_一_fii f?r一_一一。 卜，一，、_、t(2us格)(a)Uds，iVDl和ivD2波形L。 1?广1vc o】t J1l_髓I上；J1uo t(2us格)w(c)“d，(，cl，和碥波形(d)变换器效率图5实验波形Fig5Experimental waveforms5结论针对光伏发电并网系统，研究了一种高增益非隔离DCDC变换器分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，适用于光伏发电系统前端DCDC Boost变换器。 参考文献【1】吴红飞，古俊银，张君君，等高效率高增益Boostf ly-back直流变换器【J中国电机工程学报，xx，31 (24)4045【2】Zhao Q，Lee FCHigh-e fi ciency，High Step-up DCDC Converters【J】IEEE Transon PowerElectronics，xx，1