0 引言

寻找电压增益高、元器件电压应力小的直流变换器已成为了现阶段人们在该领域里研究的热点。目前国内外众多学者已提出了许多用于新能源发电系统中的高增益直流升压变换器[1-11]。文献[2]在交互 Boost 电路基础上,利用开关电容的充放电达到了使其输出电压倍增的目的。文献[4]提出了多输入的并联连接,然后再用 Buck-Boost 电路拓扑结构,以此实现了多输入升压的目的。

 

本文提出了一种基于 CLD 模块的二次升压直流变换器,其电压增益为传统 Boost 电路的(1+D)/(1-D)倍、其开关管的电压应力为传统 Boost 电路的 1/(1+D)倍。本文详细推导了所提变换器的工作模态、工作原理、各种电压性能指标,并在文中就其电压增益与其他相似变换器进行了对比,最终通过实验室搭建的实验样板,证明了理论分析的正确性。

 


1 变换器的拓扑结构

图 1 所示为传统的单开关二次升压变换器[5]。由图 1 可知,其开关管 S 的电压应力 VS-stress 和二极管 D3 的电压应力 VD3-stress 可表示为:

 

 

 

为减少开关管 S 和二极管 D3 上的电压应力,并增加整个变换器的电压增益,本设计在图 2 中提出了 CLD 模块

 

 

图 2 所示为传统 Boost 电路与 CLD 模块组和而成的新型变换器。

 

为了增加传统的单开关二次升压变换器的电压增益并减少其开关管 S 两端所承受的电压应力,本文把 CLD 模块加载到了传统二次升压变换器上去,并重新提出了一种新型的变换器,如图 3 所示。

 

 


2 变换器的工作原理

为了简化理论分析,对本文所提基于 CLD 模块的高增益二次升压直流变换器的所有元器件作如下假设:(1)电感电流 iL1、iL2、iL3 连续,即变换器一直工作在电感电流连续模式 CCM(Continuous Conduction Model);(2)电容 C1、C2、C3、C4 容值足够大,其上电压的纹波可以忽略不计;(3)不考虑所有元器件的寄生参数的影响,即它们都是理想元器件。

 

由于电感电流工作在 CCM 模式,现分别对对应于开关管 S 导通与关断时刻的工作模态 1 和工作模态 2 作如下分析。


2.1 工作模态 1

此时开关管 S、二极管 D2 导通,二极管 D1、D3、D4 关断,其等效电路如图 4(a)所示。此时电路中有四个回路:回路 1,电源 VDC、电感 L1、二极管 D2、开关管 S 串联形成回路,此时电源 VDC 给电感 L1 充电;回路 2,电容 C1、电感 L2、开关管 S 串联形成回路,此时电容 C1 给电感 L2 充电;回路 3,开关管 S、电容 C3、电容 C4、电感 L3、电容 C2 串联形成回路,此时电容 C2、C3 串联给电感 L3 充电:回路 4,电容 C4 与负载 R 组成回路,负载 R 由电容 C4 供电。

 

在整个工作模态 1 中,电感电流 iL1、iL2、iL3 呈线性增长,且其值对时间的导数分别为:

 


2.2 工作模态 2

此时开关管 S、二极管 D2 关断,二极管 D1、D3、D4 导通,其等效电路如图 4(b)所示。此时电路中电感 L1 给电容 C1 充电,电感 L2 给电容 C2、C3 充电,电感 L3 给电容 C4 充电。

 

 

在整个工作模态 2 中,电感电流 iL1、iL2、iL3 呈线性衰减,且其值对时间的导数分别为:

 

 


2.3 主要波形及其电压增益

图 5 所示为本文所提变换器一些主要参数的波形。其中 VC1 为电容 C1 两端的电压波形,iL1 为流过电感 L1 的电流波形,VC2 为电容 C2 两端的电压波形,iL2 为流过电感 L2 的电流波形,VD2 为二极管 D2 两端的电压波形,iL3 为流过电感 L3 的电流波形。

 

根据图 4(a)和图 4(b)可知,对其中电感 L1、L2、L3 运用伏秒平衡可得:

 

 

其中 D 为开关管 S 的占空比,MCCM 为变换器在电感电流连续模式下的电压增益。


3 与其他高增益直流升压变换器的比较

3.1 电压增益的比较

由图 1 可知传统二次升压变换器[5]在电感电流连续模式下的电压增益为:

 

 

由文献[9]可知变换器工作在电感电流连续模式和工作在电感电流断续模式下时的电感 L3 的临界值为:

 

 

其中 T 为变换器中开关管 S 的时钟周期,因此为保证变换器一直工作在 CCM 模式下,其电感 L3 的值必须大于由式(13)所计算出来的值。

 

变换器拓扑结构图 2、图 3、图 1 在 CCM 模式下的电压增益如图 6 所示。

 

 

由图 6 可知本文所提变换器在同一占空比时,相较于其他三种高增益直流升压变换器具有最高的电压增益。


3.2 开关管电压应力的比较

由式(8)、式(9)、式(10)可知电容 C1、C2 的电压值 VC1、VC2 为:

 

 

 


4 实验研究

为了验证本文所提基于 CLD 模块的高增益二次升压直流变换器的理论分析的正确性,现在实验室制作了一台工作在 CCM 模式下的实验样机。实验用元器件参数及实验参数如表 1 所示。

 

 

图 7(a)、(b)、(c)为依照本文所提基于 CLD 模块的高增益二次升压直流变换器在实验室所做的试验样机在占空比 D=0.5 时的部分波形。图 7(a)所示为试验样机的输入输出电压波形,可读出输入电压 VDC 为 10 V,输出电压 Vo 为 60 V,与理论计算值相符;图 7(b)所示为试验样机中开关管 S 与二极管 D3 两端所承受的电压应力,可读出开关管 S 的电压应力 VS-stress 为 40 V,二极管 D3 的电压应力 VD3-stress 为 40 V,与理论计算值相符;图 7(c)所示为试验样机中二极管 D1、D2 两端所承受的电压应力,可读出其电压应力均为 20 V,与理论计算值相符。

 

 


5 结论

本文提出了一种基于 CLD 模块的高增益二次升压直流变换器,并在 CCM 模式下对其开关管导通与关断状态作了详尽地理论分析,推导了其电压增益公式及其中各种元器件的电压应力。并在同等条件下就其相似变换器作了电压增益和各种元器件电压应力的比较,论证了本文所提变换器具有电压增益高、元器件电压应力小等特点。最终通过在实验室所搭建的实验样板,实验论证了上述理论分析的正确性。