新型多输入升压变换器的交错控制研究

侯世英　陈复

摘要：在基于开关电容网络的多输入升压变换器中，由于其开关管必须同时导通、同时关断，因此很难实现对各输入源的独立控制.基于此，对开关电容网络的结构进行改变，并采用交错控制策略进行研究.首先对基于交错控制的双输入升压变换器的工作原理及性能进行了分析，然后通过拓扑推演得到了n路输入的高升压变换器.最后，进行了仿真和实验研究，实验结果表明：该变换器不仅具有较大的电压增益，而且允许所有开关管不同时导通、不同时关断，并且占空比不完全一致，实现了各输入源的独立控制，在新能源利用方面具有一定的优势.

关键词：新能源；多输入；开关电容网络；高增益；交错控制

中图分类号：TM46 文献标识码：A

文章编号：1674-2974（2016）02-0085-07

随着传统化石能源的日益枯竭，以及它所造成的环境污染和全球变暖等问题日益严重，新能源的开发和利用越来越受到人们的重视.目前，应用较多的新能源发电方式主要有光伏发电、风力发电、燃料电池发电等，具有资源分布广、开发潜力大、环境影响小、可永续利用的特点.但在传统的新能源联合发电系统中，每一个输入源均需要一个DC/DC变换器与之对应，系统结构复杂，成本较高，且其自身存在随机性、间歇性、地域性、输出非线性等局限性[1]，极大地限制了新能源联合发电技术的发展.基于上述原因，采用一个多输入变换器（Multi-input Converter，MIC）代替多个单输入变换器的思想逐渐形成，MIC不仅可以提高系统的稳定性和灵活性，实现能源的优先利用，降低系统成本，而且允许多种性质、幅值和特征不同的能源输入，因此，MIC的发展受到国内外专家学者的极大关注[2-4].

近年来，国内外专家学者提出了一些MIC拓扑.文献[5-6]所提出的MIC结构简单，但在任意时刻只能有一个输入源工作，输入能源利用效率低.文献[7]所提出的MIC既能实现多个输入源分时供电，又能实现同时供电，但该变换器实质上是将多个Boost单元并联在输出侧，并未减少元件数量.虽然上述两类MIC组成结构简单，但电压增益与传统的单输入Boost变换器一样，应用场合受到了限制.随着MIC研究的深入，同时供电型MIC种类增多，相应的控制策略也随之出现，其中交错控制在同时供电型MIC中应用广泛[8-14].

文献[15]结合开关电容网络的优点，得到一种基于开关电容网络的新型单开关升压变换器，并在此基础上衍生出一种新型多输入升压变换器[16]，该变换器开关管和电容的电压应力小，降低了系统成本，电感电流纹波较小且连续，任何输入电源供电时，所有开关电容网络均参与工作，器件利用率及能量输入效率高，所有开关管仅由同一信号驱动，控制简单.但从另一方面而言，所有开关管同时导通、同时关断却带来了一定的局限性，如不同性质、不同幅值、不同特征的新能源同时作为输入源输入时，无法实现各输入源的独立控制.本文针对文献[16]所提多输入升压变换器的不足，对开关电容网络组合方式进行一定的改变，并采用交错控制的方法，使其不仅保留原拓扑高增益、多路输入、开关管和电容的电压应力小、电感电流纹波小等优点，而且允许不同性质、不同幅值、不同特征的新能源同时作为输入源输入，并易于实现各输入源的独立控制.

1双输入升压变换器

1.1拓扑变形

对于另外3种情况的交错波，可以采用相同的方法对其工作原理及输入＼＼输出电压关系进行分析，得到的结果见表2.

2基于交错控制的n输入升压变换器

根据文献[15]可知，开关电容网络可以进行级联组合，因此，将多个开关电容网络按图3所示方式进行级联得到一种新型的n路输入升压变换器，如图7所示.

可以看出，在具有n个输入源和n个开关电容网络的情况下，该拓扑同样可以满足大小、特征、幅值不同的输入源同时输入，且占空比可以不同；若某输入源为光伏输入时，通过调节其输入电流的参考值可以很容易地实现其最大功率输出，即实现MPPT，提高了能源利用效率，拓展了该拓扑的应用场合，尤其是在新能源联合并网发电系统中的应用.

对两种基于开关电容网络的多输入DC/DC变换器的性能特点进行比较，见表3.

由表3可知：

1） 文献[16]所提变换器仅能进行分时供电，而本文中的多输入变换器在同时供电下均能正常工作，充分利用了输入源.

2） 两种多输入变换器输出电压的表达式略有不同，但均能使输出电压获得较高的电压等级，均具备高增益的特点.

3） 文献[16]所提的变换器仅能在开关管同时导通、同时关断的条件下工作，虽然控制简单，但无法实现各输入源的独立可控；而本文中的变换器除了能在开关管同时导通、同时关断的情况下工作，还能工作在开关管交错导通的情况下，能很好地实现对各输入源的独立控制.

3仿真与实验研究

3.1仿真研究

为了验证前述理论分析的正确性，本文根据图4所示双输入升压变换器，在Matlab中搭建了仿真模型，仿真模型参数见表4.

由图8可以看出：

1） 图8（a），（b）和（c）所示电感电流存在一定的启动冲击，这是由Boost电路本身的性质决定的，且在仿真中，由于电路参数比较理想，忽略了部分器件自身的阻抗，因而启动冲击电流较大.但是实际电路中，启动冲击电流会比仿真时小一些.

2） 交错波占空比D1和D2分别为0.3和0.4，此时UC1和UC2及Uo的理论值分别为45.7 V，40.0 V和115.4 V，可以发现，图8（d），（e）和（f）所示仿真输出电压与理论计算值接近，说明了前述理论分析的正确性.

3.2实验研究

为了进一步验证理论分析与仿真结果的正确性，在实验室搭建双输入升压电路样机，除开关频率变为20 kHz外，其余电路参数与仿真模型参数基本一致.两个开关管交错180o导通，得到如图9所示的实验波形.

图10为实验样机的实测工作效率，从图中可以看出，变换器在不同的负载条件下，其效率曲线是变化的，且其最大工作效率大约为92.7%.

4结语

本文对多个开关电容网络的连接方式进行了重新组合，在交错控制方式下，对其双输入情况下的工作原理、性能特性进行了分析，并在此基础上对基于交错控制的多输入情况进行了推衍，最后进行仿真及样机实验，实验结果表明：

1） 对本文所示的多输入DC/DC变换器采用交错控制是可行的，且所有开关管占空比不完全一致，使各输入源能实现独立控制，拓展了应用场合.

2） 输出电压等于各输入源电压的（1+Dn）/（1-Dn）倍之和，同样具备了高增益的性质.

3） 开关电容网络串联的多输入DC/DC在同时供电情况下正常工作，未造成输入源闲置的情况，输入源利用率高，且各输入源之间互不影响，非常适合于新能源联合利用的场合.

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