基于DCM的级联型直流升压变换器-AET

0 引言

单块光伏板输出的电压一般为33~43 V，逆变并网系统对高压直流电的要求难以满足[1]；常见的传统Boost升压变换器不适用于电压增益超过6的场合[2-3]；隔离直流升压变换器体积大，能量转换效率不高[4-5]，因此，光伏发电系统中常用的直流升压变换器多为非隔离型[7-8]。

针对光伏发电系统对直流升压变换器的要求，本文提出了基于光伏发电系统的要求DCM该模块的高增益非隔离直流升压变换器。首先，分析了高增益直流升压变换器的工作原理和性能特点，并将其主要性能与现阶段其他一些高增益直流变换器进行了比较。较后，实验室的额定功率为170 W实验样机证实了变换器的有效性。

1 工作原理

本文提出的基础DCM(Diode-Capacitor Module)如图1所示。为了简化后续分析，拓扑结构中的部件假设如下：（1）忽略结构中所有部件的寄生参数；（2）结构中所有电感在连续传导模式下工作(Continuous Conduction Model，CCM)；(3)结构中所有电容器两端的电压恒定。

变换器拓扑结构中部分元件的波形如图2所示。iL1、iL二是流经电感L1和L2的电流，VC1、VC电容分别加载C1和C两端的电压，VD1、VD二极管分别加载D1和D两端的电压Ton、Toff分别是开关管S在一个时钟周期T中的导通和关闭时间。

因为所提到的变换器工作CCM在模式下，有两种工作状态：开关管S导通和断开。

(1)开关管S导通

当开关管S闭合导通时，其等效电路如图3所示(a)所示。其中二极管D1、D3、D关闭，二极管D2、D4导通。此时变换器中有电路。回路1：电源VDC通过二极管D二、开关管S给电感L1充电；电路2:电容C通过开关管S给电感L1充电；电路3:电容；C3通过二极管D4.用开关管S给电容器C电源4：电容C3和电容C4串联供电负载R。

回路1可用：

(2)开关管S断开

当开关管S断开时，其等效电路如图3所示(b)所示。其中二极管D1、D3、D五导通，二极管D2、D4断开。此时变换器中有电路。回路1：电源VDC和电感L通过二极管串联D1给电容C1充电；电路2:电容C1和电感L通过二极管串联D3给电容C3充电；电路3:电容C2通过二极管D3和D5给电容C4.电路4:电容C3和电容C4串联供电负载R。

回路1可用：

回路3：

2 性能分析

2.1 电压增益M

对电感L1使用伏秒平衡：

2.2 电压应力

(1)开关管S电压应力VvpS

由图3(b)回路2可知：

(2)二极管电压应力VvpD

由图3(a)回路1可知：

3 变换器的性能比较

表1列出了变换器和文献[7]、文献[8]和传统Boost连续传导模式下电路的性能比较。

由表1中参数MCCM本文提到的变换器具有较高的电压增益，能很好地满足新能源发电系统对高增益直流升压变换器的要求。由表1中参数VvpS可以看出，变换器中的开关管具有较低的开关管电压应力，可以很好地减少开关管中能量的损失。在实际组件选择中，低耐压开关管可以满足变换器的需要，可以很好地降低组件的成本。由表1中参数VvpD可以看出，本文提到的变换器中的二极管具有较低的电压应力，可以有效地减少二极管中能量的损失，有效地提高变换器的整体能量转换效率。

4 实验研究

为了验证本文提到的变换器分析的正确性，实验室根据拓扑结构图1制作了170个额定功率 W实验样机。实验参数如表2所示。

图4显示了开关管S栅极与源极之间的驱动信号Vgs以及漏极和源极两端的电压应力VvpS由此可见，开关管S控制信号的比例D=0.5.电压应力读数为80 V，符合理论计算值。图5显示了实验样机的输入电压VDC和输出电压VO实验波形的读数分别为20 V和160 V，它与理论计算值一致。图6显示了实验样机中的二极管D1和D两端的电压值VD1、VD二、即其电压应力VvpD1、VvpD2.读数为40 V，与理论计算值一致。

5 结论

为了满足新能源发电系统对高增益直流升压变换器的要求，满足电动汽车多级供电的应用，本文提出了一个基础DCM高增益直流升压变换器模块。首先，对变换器的工作原理及其性能特点进行了分析，并对其主要性能参数与现阶段其他一些高增益直流变换器进行了比较。较后通过实验室170台 W实验样机证实了变换器的有效性。实验结果表明，变换器具有电压增益高、开关管及其二极管电压应力低等特点。它能很好地满足新能源领域高增益直流升压变换器的要求。

参考文献

[1] 王挺，汤雨.研究基于开关电感的有源网络升压变换器[J].2014年29日(12电工技术学报73-79.

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[5] 吴刚、阮新波、叶志红.非隔离高压比直流变换器采用开关电容[J].2015年35日(2)中国电机工程学报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)：2357-23 .

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[8] 陈庚、董秀成、李浩然等.新型非隔离高增益DC-DC升压变换器[J].2017年15日电源学报46-51日.

作者信息:

魏 振，江智军，杨晓辉

（南昌大学 江西信息工程学院 南昌330031）