一种高电压增益低开关应力的DC－DC变换器∗

房绪鹏，阚兴宸，王 旭，鲁 莹

(山东科技大学，山东 青岛 266590)

DC－DC 变换器在光伏系统的电网集成中是必不可少的，通常是需要将其产生的低压电能提升至可供电网使用的高压电能，所以很多学者做了许多尝试来解决与传统的高增益变换器相关的问题。Z源变换器最早由彭方正提出[1]，之后他又提出了准Z 源等改进结构[2－3]。但这两种电路拓扑存在一些缺陷。近年来，Y 源阻抗网络概念被相继提出[4]，并对其不断进行改进[5－7]。该拓扑是由3 个紧密耦合的电感器组成，其电压增益远高于Z 源变换器，但Y源变换器也仍存在着输入电流不连续、启动冲击电流大等缺点，因此有学者提出改进型Y 源变换器(IY)[8]，通过对其不断深入的研究[9－11]，有效地解决了该类问题。另一方面，当需要高电压增益时，IY源变换器可调占空比范围很小，导致控制的灵活性降低。虽然其具有很高的电压增益，但是其功率开关上的电压应力也相应升高，导致效率降低。文献[12]提出一种低开关应力的DC－DC 变换器，但是该变换器升压能力有限。

本文提出了一种改进的高增益低开关应力Y源DC－DC 变换器，它是在改进型Y 源拓扑中加入开关电感并通过将功率开关移到输入侧来实现的，改进型开关电感Y 源变换器(ISLY)不但保留了改进型Y 源变换器输入电流连续这一优点，而且增大了占空比的调节范围，同时降低了开关的电压应力。

1 电路结构及工作原理分析

图1 所示为所提出的改进型开关电感Y 源DCDC 变换器主电路，该电路主要由3 个以Y 形连接的紧密耦合电感N1，N2，N3，5 个电容C1－5，2 个电感L1，L2，3个二极管D1－3，一个开关S 组成。从图1 中可以观察到，ISLY 是将改进型Y 源拓扑的有源开关的位置从输出端移动到输入端，同时加入开关电感模块。该变换器存在连续的输入电流，峰值开关电流显著降低。

图1 ISLY 拓扑结构

该电路主要有两种工作状态，分别是直通状态(S 导通)和非直通状态(S 关断)，两种状态的等效电路如图2(a)和图2(b)所示。

图2 ISLY 等效电路图

(1)当开关S 闭合，电路处于直通状态时，如图2(a)所示，二极管全部反向偏置，直流电源和电容C3，C4向电感L1，L2充电，电容C1向三绕组耦合电感充电。假设功率元件理想，电容器能够保持输出电压恒定，C3和C4相等且值很大，由以上分析可以得到:

考虑磁化电感，则3 个耦合电感的电压存在式(2)关系，又由KVL 得到式(3)和式(4)。

式中:VLm为磁化电感电压，N1，N2，N3为耦合电感的匝数，VN1，VN2，VN3为绕组N1～N3的电压。

(2)当开关S 关断，电路处在非直通状态时，如图2(b)所示，二极管全部正向导通。电感L1，L2向电容C3，C4充电，直流电源通过耦合电感向负载和电容C1等充电，根据KVL 可以得到如下方程:

式中:V′L，V′N1，V′N2，V′N3分别为非直通状态下电感L1和绕组N1～N3的电压。

根据电感的伏秒平衡原理，在一个开关周期内电感两端的平均电压在电路达到稳态时等于0，得

式中:D为占空比，联立式(4)、式(5)、式(10)得

联立式(3)、式(11)和式(6)～式(9)，得

所以改进型开关电感Y 源DC－DC 变换器的电压增益为

由上式可知1－2D>0，所以D的取值范围为

图3 为4 种拓扑结构的电压增益曲线比较图，其中Y 源，改进型Y 源(IY)，改进型开关电感Y 源(ISLY)的K值均为4。从图中可以明显的看到，虽然Y 源拓扑和IY 源拓扑有更好的升压能力，但是根据K的取值占空比被限制在一个很小的范围内。与Z 源拓扑相比，ISLY 在占空比范围相同的条件下有更好的升压能力。所以ISLY 拓扑结构同时具有良好的升压能力与较宽的占空比范围两方面的优势。

图3 不同拓扑的电压增益曲线

2 器件电压应力分析

为了更加准确地选择器件，分析开关管、二极管和电容器上的电压应力。当开关S 断开时开关两端的电压为

当开关导通时三个二极管分别承受的反向电压为

表1 列出了Y 源变换器，IY 源变换器和ISLY源变换器中器件和输出电压以及占空比的对应关系，N/A 表示该表格位置不适用。从表中能看出，当电压增益相同时，ISLY 电容C2和二极管D1的电压应力明显小于IY 源，开关管的电压应力也明显小于Y 源和IY 源。当K＝3，通过计算得G＝2.25(D＝0.167)时，Y 源和ISLY 源二极管D1电压应力相等，当G>2.25 时，Y 源中二极管D1的电压应力大于ISLY。同理可计算当K＝4 时，G的临界值为1.6(D＝0.083)，当K＝5 时，G的临界值是1.38(D＝0.05)，即随着K值的增大，D的临界值越小。因为ISLY 的占空比范围为0～0.5，当K值确定时，电压增益随着占空比的增加而升高，所以与ISLY 相比，Y 源中二极管D1的电压应力更大，综上可知ISLY 源变换器能够更好地减小器件的电压应力。

表1 各源电路参数比较

3 仿真验证

为验证前文的理论分析，在MATLAB/Simulink中搭建电路进行仿真，通过设置不同的K值以及占空比D，分析比较电压增益的大小关系，不同K值可选择的线圈匝数比如表2 所示。

表2 不同K 值所对应的匝数比

图4 为不同K值下，ISLY 源变换器的电压增益曲线，从图中可以得到，不管K取何值，占空比的范围不变。在占空比一定时，K值越大，电压增益越明显。当选定K值时，电压增益随着占空比的增大而升高。这意味着ISLY 源变换器可以在较宽的占空比范围内更加灵活地控制电压增益。

图4 不同K 值下的电压增益曲线

下面选取不同K值和占空比D进行仿真实验，电路参数见表3，仿真波形见图5。

图5 仿真结果

表3 电路参数

4 实验验证

根据在Simulink 中搭建的仿真模型搭建实验电路，如图6 所示。控制脉冲由TMS320F28335 输出信号，全控开关选用H25R1202 型IGBT。利用示波器记录实验结果和输出波形。实验结果见表4，测得输出电压和电容C1、C2的电压波形如图7、图8所示。

图6 实验样机

图7 K＝2，D＝0.25 实验波形

图8 K＝3，D＝0.35 实验波形

表4 实验结果

从示波器输出结果可以看出实验结果与理论计算和仿真基本一致，证明上述原理分析以及仿真实验的正确性。

5 结论

本文提出一种改进型开关电感Y 源DC/DC 变换器，保留了改进型Y 源变换器的输入电流连续的优点。该变换器的主要特点是引入开关电感模块并将功率开关管从输出侧转移到输入侧，从而达到获取高电压增益的同时减小了功率开关管的电压应力的效果，而且拓宽了可调占空比的范围，保证控制的灵活性，以便能够更加广泛地适用于各种分布式发电系统以及微电网等需要高电压增益的应用中。