一种改进二次型高增益Boost-Sepic变换器
时间：2023-04-18 15:05:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
孙毓璞，徐玉珍，金涛
（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108）
在新能源发电系统中，光伏和燃料电池等产生的电压远低于并网所需直流母线电压。虽然多个光伏电池板串联能够达到并网电压等级的要求，但是系统效率和可靠性降低、成本升高以及体积加大等问题随之而来[1-2]。传统升压变换器由于电路寄生参数的影响，在实际应用时，升压增益特性受限。因此，研究高电压增益DC-DC变换器是实现光伏发电等低压输出新能源系统并网的有效途径[3-4]。
目前，对非隔离型变换器实现高增益主要有以下几种方案：采用开关电容倍压单元实现较高的电压增益，并降低各单元的电压应力；
但当需要更高电压增益时，则需多个储能单元串联，这不仅会带来成本的增加，也会引起较大的电流尖峰，增加器件损耗[5-6]。文献[7]介绍了一种引入耦合电感的办法，通过改变匝比可获得较高输出电压，但当功率MOS 管关断时，耦合电感的漏感会引起电压尖峰，影响效率的提高，且使功率MOS 管承受较大的电压应力。文献[8-9]提出了基于开关电感单元高增益变换器，并利用磁集成技术和交错并联技术减小电流纹波，但变换器结构复杂、成本较高、控制困难且电压增益提高有限。文献[10-11]提出一种采用变换器级联方式实现高增益电压，但由于功率MOS 管数量多，控制回路复杂。为了减少级联变换器功率MOS 管数量，文献[12-14]提出了单开关高增益级联变换器，简化了控制回路，然而当输出电压较高时，其功率MOS 管的电压应力也较大。文献[15]提出一种低电感电流二次型Boost变换器，可减小电感上的电流，但使用了两个功率MOS管，并且其中一个功率MOS 管的电压应力箝位于输出电压，输出二极管的电压应力也大于输出电压。文献[16-17]提出一种集成Boost-Sepic变换器，根据理论与仿真分析可知，该变换器可减小功率MOS 管和输出二极管的电压应力，但是输出电容的电压应力较高，系统稳定时间过长，增益提高有限，且缺乏实验验证。本文提出一种改进二次型高增益Boost-Sepic 集成变换器，该变换器不仅具有输入电流连续、功率器件电压应力低、控制电路简单等特点，还具有电压增益大、系统稳定速度较快等优点。
1.1 工作原理
提出的改进二次型高增益Boost-Sepic变换器如图1 所示。为简化分析，在改进二次型高增益Boost-Sepic变换器中，假设所有元件都是理想的；
所有电容器都足够大，可实现恒压。
图1 改进二次型高增益Boost-Sepic变换器Fig.1 Improved quadratic high voltage gain Boost-Sepic converter
变换器工作在CCM 模式下，主要工作波形如图2 所示，变换器输入电流连续，且有三种工作模态，各工作模态等效电路如图3 所示。
图2 关键参量主要工作波形Fig.2 Main operating waveforms of key parameters
图3 各工作模态等效电路Fig.3 Equivalent circuit in each operating mode
模态Ⅰ[t0，t1]：如图3（a）所示，功率MOS 管S驱动导通时，二极管D1关断，D2导通。输入电压Vin给电感L1充电，电感L1的电流上升；
电容C1给电感L2供电，电感L2的电流上升；
电容C3电压VC3大于电容C2电压VC2，由电压差VC3-VC2给电感L3充电，电感L3的电流上升。电感L1、L2和L3两端电压分别为
模态Ⅱ[t1，t2]：如图3（b）所示，当功率MOS 管S关断时，二极管D2、D3关断，D1导通。输入电压Vin和电感L1串联向电容C1充电；
输入电压Vin、电感L1、电感L2和电容C2串联向负载供电；
电感L3给C4充电。电感L1、L2和L3两端电压分别为
模态Ⅲ[t2，t3]：如图3（c）所示，功率MOS 管S继续保持断态，二极管D2关断，D1、D3导通，输入电压Vin和电感L1串联向电容C1充电；
输入电压Vin、电感L1、电感L2和电容C2串联向负载供电；
输入电压Vin、电感L1和电感L2通过二极管D3向输出电容C3充电；
电感L3通过二极管Do向输出电容C4供电。电感L1、L2和L3两端电压分别为
在以上三种模态中，输出电压表达式均为
1.2 电压增益
稳态工作时，在一个周期T中，根据伏秒平衡原理，电容C1、C2和C3两端电压分别为
由式（5）可进一步得电压增益M为
由式（6）可知，改进二次型高增益Boost-Sepic变换器的电压增益为传统Sepic变换器的（1+D）/[D（1-D）]倍。
1.3 功率器件电压应力
根据图3 中变换器中各半导体器件截止时的等效电路和式（5）、式（6）可知，功率MOS 管S、二极管D1、D2、D3和Do的电压应力为
根据式（7）可知，半导体功率器件和电容的电压应力均低于输出电压Vo。
该部分主要将各文献中所提变换器与本文所提变换器进行对比研究。其中，图4为各变换器升压特性曲线对比，表1为各变换器结构与性能对比，可知本文所提改进二次型Boost-Sepic变换器电压增益较高，功率MOS 管数量少且电压应力较低，所以驱动电路简单，控制容易。图4的升压特性曲线进一步说明，在任一占空比下，与其他变换器相比，改进二次型Boost-Sepic变换器电压增益均高于文献中所提其他高增益变换器。此外，本文还针对所提变换器和文献[16-17]中提出的变换器的系统稳定时间进行了仿真比较，结果见表1。仿真结果表明，在相同的输入条件下，本文所提变换器系统稳定时间要快于文献[16-17]中提出的变换器。
图4 各变换器升压特性曲线对比Fig.4 Step-up characteristic curves of each converter
表1 变换器结构与性能对比Tab.1 Comparison of structure and performance among different converters
综上所述，本文提出的改进二次型高增益Boost-Sepic变换器具有共用一个功率MOS管，结构简单，电压增益高，输入电流连续，功率器件和电容的电压应力小等特点。
为验证改进二次型Boost-Sepic变换器工作原理的理论分析，研制了一台100 W 实验样机，其中输入电压为48 V，输出电压为400 V，工作频率为50 kHz，占空比为0.57，电压增益8.33。实验样机如图5 所示，实验样机主要器件的型号和参数见表2。
表2 实验样机主要器件的型号和参数Tab.2 Types and parameters of main devices of experimental prototype
图5 实验样机Fig.5 Experimental prototype
图6 实验波形Fig.6 Experimental waveforms
本文将二次型Boost变换器与改进的Sepic变换器进行集成，提出一种改进二次型Boost-Sepic 升压变换器，并研究了该变换器在CCM 模式下的工作原理及相关特性，最后搭建了输入电压为48 V，输出电压为400 V的100 W 样机进行实验研究，得到如下结论：
（1）所提改进二次型Boost-Sepic变换器具备高增益、输入电流连续的特点，其增益为传统的Sepic变换器的（1+D）/[D（1-D）]倍。占空比为0.57时，实验样机增益达到8.33，与理论推导结果一致；
（2）所提改进二次型Boost-Sepic变换器具备功率MOS 管和各二极管上的电压应力小、效率高等特点，理论分析和实验结果表明各功率器件上的电压应力均小于输出电压且实验样机效率高达94.1%。
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