0 引言

    由于單塊光伏板輸出的電壓一般為33～43 V，難以滿足逆變并網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)高壓直流電的要求^[1]；常見的傳統(tǒng)Boost升壓變換器又不適用于電壓增益超過6的場合^[2-3]；隔離型直流升壓變換器體積較大、其對(duì)電能的能量轉(zhuǎn)換效率亦不可能較高^[4-5]，因此現(xiàn)階段常用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中的直流升壓變換器多是非隔離型的^[7-8]。

    本文針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)中對(duì)直流升壓變換器的要求，提出了一種基于DCM模塊的高增益非隔離型直流升壓變換器。首先分析了該高增益直流升壓變換器的工作原理及其性能特點(diǎn)，并就其主要性能與現(xiàn)階段的一些其他高增益直流變換器進(jìn)行了對(duì)比研究。最終通過實(shí)驗(yàn)室一臺(tái)額定功率為170 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)證實(shí)了該變換器的有效性。

1 工作原理

    本文提出的基于DCM(Diode-Capacitor Module)的級(jí)聯(lián)型直流升壓變換器如圖1所示。為了簡化后續(xù)分析，現(xiàn)對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的元器件作如下假設(shè)：(1)忽略結(jié)構(gòu)中所有元器件的寄生參數(shù)；(2)結(jié)構(gòu)中所有電感工作在連續(xù)傳導(dǎo)模式(Continuous Conduction Model，CCM)；(3)結(jié)構(gòu)中所有電容兩端的電壓恒定。

    所提變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中部分元器件的波形如圖2所示。其中i_L1、i_L2分別為流經(jīng)電感L₁和L₂的電流，V_C1、V_C2分別為加載在電容C₁和C₂兩端的電壓，V_D1、V_D2分別為加載在二極管D1和D2兩端的電壓。其中T_on、T_off分別為開關(guān)管S在一個(gè)時(shí)鐘周期T內(nèi)的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間。

    由于所提變換器工作在CCM模式下，因此其有兩種工作狀態(tài)：開關(guān)管S導(dǎo)通與斷開。

    (1)開關(guān)管S導(dǎo)通

    當(dāng)開關(guān)管S閉合導(dǎo)通時(shí)，其等效電路如圖3(a)所示。其中二極管D1、D3、D5關(guān)斷，二極管D2、D4導(dǎo)通。此時(shí)變換器中有4個(gè)回路?；芈?：電源V_DC通過二極管D2和開關(guān)管S給電感L₁充電；回路2：電容C₁通過開關(guān)管S給電感L₁充電；回路3：電容C₃通過二極管D4與開關(guān)管S給電容C₂供電；回路4：電容C₃和電容C₄串聯(lián)給負(fù)載R供電。

    由回路1可得：

    (2)開關(guān)管S斷開

    當(dāng)開關(guān)管S斷開時(shí)，其等效電路如圖3(b)所示。其中二極管D1、D3、D5導(dǎo)通，二極管D2、D4斷開。此時(shí)變換器中有4個(gè)回路。回路1：電源V_DC和電感L₁串聯(lián)，通過二極管D1給電容C₁充電；回路2：電容C₁和電感L₂串聯(lián)，通過二極管D3給電容C₃充電；回路3：電容C₂通過二極管D3和D5給電容C₄充電；回路4：電容C₃和電容C₄串聯(lián)給負(fù)載R供電。

    由回路1可得：

    由回路3可得：

2 性能分析

2.1 電壓增益M

    對(duì)電感L₁運(yùn)用伏秒平衡：

2.2 電壓應(yīng)力

    (1)開關(guān)管S電壓應(yīng)力V_vpS

    由圖3(b)回路2可知：

    (2)二極管電壓應(yīng)力V_vpD

    由圖3(a)回路1可知：

3 變換器的性能對(duì)比

    表1列出了本文所提變換器與文獻(xiàn)[7]、文獻(xiàn)[8]和傳統(tǒng)Boost電路在連續(xù)傳導(dǎo)模式下的性能比較。

    由表1中參數(shù)M_CCM可知，本文所提變換器具有較高的電壓增益，能夠很好地滿足新能源發(fā)電系統(tǒng)中對(duì)高增益直流升壓變換器的要求。由表1中參數(shù)V_vpS可知，本文所提變換器中的開關(guān)管具有較低的開關(guān)管電壓應(yīng)力，能很好地降低能量在開關(guān)管上的損耗，在實(shí)際元器件選型時(shí)，低耐壓開關(guān)管就能滿足變換器需求，能很好地降低元器件成本。由表1中參數(shù)V_vpD1可知，本文所提變換器中的二極管具有較低的電壓應(yīng)力，該變換器在實(shí)際工作中能有效降低能量在二極管上的損耗，能有效提高變換器整體的能量轉(zhuǎn)換效率。

4 實(shí)驗(yàn)研究

    為了驗(yàn)證對(duì)本文所提變換器所做分析的正確性，在實(shí)驗(yàn)室根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖1制作了一臺(tái)額定功率為170 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)用參數(shù)如表2所示。

    圖4所示為試驗(yàn)過程中加載于開關(guān)管S柵極與源極之間的驅(qū)動(dòng)信號(hào)V_gs及其漏極與源極兩端的電壓應(yīng)力V_vpS的曲線，由此可知開關(guān)管S控制信號(hào)的占空比D=0.5，其電壓應(yīng)力讀數(shù)為80 V，與理論計(jì)算值相符。圖5所示為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的輸入電壓V_DC和輸出電壓V_O的實(shí)驗(yàn)波形，其讀數(shù)值分別為20 V和160 V，其與理論計(jì)算值相符。圖6所示為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中二極管D1和D2兩端的電壓值V_D1、V_D2，即其電壓應(yīng)力V_vpD1、V_vpD2，其讀數(shù)值均為40 V，與理論計(jì)算值相一致。

5 結(jié)論

    為了滿足新能源發(fā)電系統(tǒng)中對(duì)高增益直流升壓變換器的要求及迎合電動(dòng)汽車中需要多級(jí)供電的運(yùn)用場合，本文提出了一種基于DCM模塊的高增益直流升壓變換器。首先分析了該變換器的工作原理及其性能特點(diǎn)，并就其主要性能參數(shù)和現(xiàn)階段的一些其他高增益直流變換器進(jìn)行了對(duì)比認(rèn)識(shí)。最終通過實(shí)驗(yàn)室一臺(tái)170 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)證實(shí)了該變換器的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該變換器具有電壓增益高、開關(guān)管和其二極管電壓應(yīng)力較低等特點(diǎn)。其能很好地滿足新能源領(lǐng)域中對(duì)高增益直流升壓變換器的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 王挺，湯雨.基于開關(guān)電感的有源網(wǎng)絡(luò)升壓變換器的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29(12)：73-79.

[2] CAO D，JIANG S，PENG F Z，et al.Low cost transformer isolated Boost half-bridge micro-inverter for single-phase grid-connected photovoltaic system[C].IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition.Orlando：IEEE，2012：71-78.

[3] WANG C M.A novel ZCS-PWM flyback converter with a simple ZCS PWM commutation cell[J].IEEE Trans.on Industry Electronics，2008，55(2)：749-757.

[4] FOREST F，MEYNARD T A，LABOURE E，et al.An isolated multicell intercell transformer converter for applications with a high step-up ratio[J].IEEE Trans. on Power Electronics，2013，28(3)：1107-1119.

[5] 吳剛，阮新波，葉志紅.采用開關(guān)電容的非隔離型高升壓比直流變換器[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35(2)：442-450.

[6] KIM H，YOON C，CHOI S.An improved current-fed ZVS isolated Boost converter for fuel cell applications[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25(9)：2357-2364.

[7] YANG L S，LIANG T J，CHEN J F.Transformerless DC-DC converters with high step-up voltage gain[J].IEEE Trans.on Industry Electronics，2009，56(8)：3144-3152.

[8] 陳庚，董秀成，李浩然，等.非隔離新型高增益DC-DC升壓變換器[J].電源學(xué)報(bào)，2017，15(5)：46-51.

作者信息:

魏  振，江智軍，楊曉輝

（南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌330031）