基于开关电容变换器的水文遥测站供电系统设计

基于开关电容变换器的水文遥测站供电系统设计

金福一

(辽宁省水文局，沈阳110003)

摘要：直流变换器(DC-DC)是新能源供电系统中必不可少的变换器。本文把开关电容电路融合到传统非隔离型直流变换电路中，形成高压比、高效率、高集成度的直流变换电路，可以更好地应用到水文遥测供电系统以及其他直流变换系统中。最后对新形成的拓扑进行理论推导分析和实验仿真分析，验证拓扑的正确性。

关键词：直流变换；开关电容；供电系统

中图分类号：P332

Design of Hydrologic Telemetry Station Power Supply System

Based on Switched Capacitor Converter

JIN Fu-yi

(LiaoningProvincialHydrologicalBureau,Shenyang110003,China)

Abstract：DC converter (DC-DC) is an essential converter in new energy power supply system. In the paper, switched-capacitor circuit is integrated to traditional non-isolated DC converter circuit to form DC converter circuit with high pressure ratio, high efficiency and high integration. It can be better applied to hydrologic telemetry systems and other DC conversion systems. Finally, theoretical derivation analysis and experimental simulation analysis can be conducted on newly-formed topology, thereby verifying the correctness of topology.

Keywords：DC conversion; switched capacitor; power supply system

水文遥测站一般建设在地理位置比较偏僻的地方，这些地方供电困难、供电不足并且供电电压不稳定[1-2]。目前水文遥测站的供电系统多采用新能源独立发电供电系统，并且主要为太阳能发电系统。

典型的包含储能环节的新能源独立发电系统由传统的非隔离型单向 DC-DC 、双向 DC-DC 变换器和隔离型包含变压器的DC-DC变换器构成，其变换器分散控制，体积重量大；系统中存在多级功率变换，效率较低[3]。隔离型DC-DC变换电路有较高的变压比，但是效率低，并且EMI开关电容变换电路不含电感和变压器，仅由电容网络和开关构成，集成度比较高，可实现数倍电压双向变换[4-5]。开关电容变换器虽然有体积小、重量轻、功率密度大和可集成的优点，但是，开关电容变换电路电压调整性能差。

目前已有开关电容电路与传统BUCK或BOOST 电路组成的两级变换电路[6]，取得了很好的效果。本文采用将开关电容变换电路和传统BOOST电路乘积式结合，不仅可以逐步提高电路变压比，且随着变压比的增高，调压宽度也随着增大，并且形成的新型直流变换器具有体积小、功率密度大以及电路可集成的优点，可以很好地应用在新能源水文遥测供电系统。

1电路系统设计

1.1应用于水文遥测站供电系统

本文提出基于开关电容的水文遥测站供电系统，如图1所示。

图1　水文遥测站供电系统

控制器对开关电容电路实行闭环控制，如图1所示，当太阳能电池板输出电压波动时，控制器自动调节开关电容电路开关管占空比，从而达到对蓄电池恒压充电的目的。

1.2新型变换器基本拓扑

图2　新型高压比DC-DC变换器拓扑

图2所示电路即为基于开关电容的高压比DC-DC变换电路拓扑，图2中电容C3和电感L1两个元件并联充电串联放电构成一个自举升压电路。虚线方框内为两阶开关电容升压电路，电源UA作为两阶开关电容电路和自举电路的输入电源，整个电路工作分为两种工作模式。

a. 模式一：自举电路单独工作。

电路工作在该模式下，只有开关S3工作，开关S1、S2处于断开状态，两阶开关电容电路不工作，其等效电路如图3所示。

图3　模式一

开关S3导通时，二极管D4处于反向截止状态，电流通过D1、D5、D7对电容C3和电感L1并联充电，忽略二极管压降有

(1)

(2)

式(1)中RN为电容内阻，设开关周期为T，占空比为k，在kT时刻，开关S3由导通转向关断，此时，电容满充电压UC3= UA。在(1-k)T时间内，主电源、C3、L1串联对负载供电，有

(3)

理想情况下，电压UC3等于主电源电压UA， iL1大小不变，根据充放电能量相等可得输出电压：

(4)

(5)

由式(5)可知，模式一电压输出公式和BOOST电路输出电压有相似之处，但变压比高于BOOST电路，说明该电路既具有开关电容电路高变压比的特点，又具有BOOST电路良好调压特性的特点。

b. 模式二：自举电路与开关电容电路共同工作。

电路工作在该模式下，开关S1、S2、S3同时工作，即两阶开关电容电路和自举电路共同工作,如图2所示。开关S1、S2与S3相互独立工作，互不影响，两阶开关电容电路中的开关S1、S2协调工作使电容C2电压UC3升压到2倍电源电压。由于电容C2电压UC3大于电源电压UA, 二极管D1处于反向截止状态，自举电路的输入电源改为电容C2。

开关S2导通S1断开kT时间段内，主电源UA通过二极管D2对电容C1充电，充电过程与式(1)相同。充电结束后，电容C1电压UC1=UA，实现了对电容C1的满充；开关S1导通S2断开(1-k)T时间段内，主电源UA串联电容C1通过二极管D3对电容C2充电，二极管D2处于反向截止状态，理想情况下：

(6)

理想情况下，电容量足够大，电容C2电压稳定。因为电容C2电压UC2大于主电源电压UA，二极管D1处于反向截止状态，因此电容C2作为自举电路的输入电源。电容C2作为自举电路的输入电源，根据式(5)，理想情况下变换电路输出电压为

(7)

对比式(5)和式(7)可知，两阶开关电容电路与自举电路同时工作时，无论是升压比还是可调压宽度都比单独自举电路大很多。

2电路效率

图2中电感L1的工作电路与BOOST电路基本相同，根据文献[7-8]可知BOOST电路工作效率较高，大于80%。本文所提出的变换器中，电感L1用于精确调节电压，其工作占空比为0.3～0.7,避免使用极端占空比，电路工作在理想状态。

开关电容电路工作效率与电容的充放电效率密切相关，首先分析电容的充电效率。令电容C从t0时刻开始充电，t1时刻充电结束，t0～t1时刻电源Vin输出的能量为

(8)

t0～t1时刻电容C储存的能量为

(9)

根据以上计算，可以得到电容充电的效率为

(10)

由以上分析可以得出，电容的充电效率与串联电阻的大小没有关系，与电压的充电过程无关，当电容充电的末态电压恒定时，电容上的电压变化越大，电容充电的效率越低。

从整体来考虑开关电容的工作效率，可以用下式计算：

(11)

式中M——电压变比，M=V0/VS；

K——本征电压变比，K=Qi/Q0。

理想情况下，效率η可以为1，即M=K，但通常η<1，即M

传统两阶开关电容电路如图4所示。

图4　传统两阶开关电容电路

以图4所示的基本升压开关电容变换器为例，考虑其寄生参数的影响，其输出电压可表示为

(12)

变换电路效率为

(13)

由以上开关电容电路效率分析可得，从提高电路效率方面考虑，设计和控制开关电容电路时，尽量减小电容电压波动。为了减小电压波动，根据式(16)，可以从两个方面考虑，第一是一定范围内增大电容值，第二尽量提高电路工作频率。

(16)

3实验仿真分析

为了验证理论分析的正确性，对图2所示的新拓扑进行仿真实验研究，实验参数如下：输入电压UA=15V，PWM控制波形控制开关管，开关频率fs=20kHz，C1=C3=30μF，C2=C4=120μF，L1=0.9mL，开关管和二极管均为理想器件。

图5　电路工作电压(D=0.5)

a. 电路工作在模式一，开关管S3的占空比首先设为0.5。图5(a)为电容C3充放电波形，与式(1)相吻合，电容实现了满充，由波形也可看出开关管S3的占空比为0.5。图5(b)为电路输出电压波形，从图5(b)可得输出电压约为45V，与式(5)相吻合。

根据前文分析可知，调节开关管S3的占空比可以调节输出电压，前提是保证电容C3满充。设开关管S3的占空比为0.6，可得图6所示电路电压波形。图6(a)为电容C3充放电波形，与式(1)基本吻合，从中可看出开关管S3的占空比设为0.6；图6(b)为电路输出电压波形，约为52V，与式(5)吻合。

图6　电路工作电压(D=0.6)

由模式一电路工作电压波形可知，本文提出的高压比DC-DC变换电路比传统BOOST电路升压比高，并且拥有同样的调压特性。

b. 电路工作在模式二，开关管S1、S2、S3的占空比设为0.5，两阶开关电容输出电压为电容C2电压UC2，如图7(b)所示，由图可知两阶开关电容电路输出电压约为2倍的电源电压，符合开关电容电路电压特性。

图7　模式二电路电压

电容C2作为自举电路的输入电源，由图7(c)可知，自举电路的输入电压等于电容C2的电压，约为30V。输出电压如图7(a)所示，约为90V，与式(5)相吻合。

对比模式一和模式二仿真实验波形可得：模式二的变压比大于模式一，并且调压宽度也大于模式一，与理论推导分析相吻合。

4结语

本文针对目前水文遥测站供电系统和新能源发电系统电能变换需求，结合开关电容和自举电路的特点，提出一族高压比DC-DC变换电路。理论与实验仿真证明：该新型高压比DC-DC变换电路具有高变压比、精确调压范围广、输出电压范围宽等特点。

参考文献

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