一种改进型高增益Y 源DC-DC 升压变换器*

房绪鹏，王旭，阚兴宸，王璞

(山东科技大学电气与自动化工程学院,山东 青岛 266590)

如今随着科技以及经济社会的高速发展,人们越来越重视新能源的开发与利用,然而新能源产生的电压等级通常较低,这就需要合适的转换器将新能源发电产生的低压电能进行升压并入电网以供使用。近年来,Z 源阻抗网络[1]及其改进拓扑[2-6]陆续被提出,但其具有输入电流不连续、升压占空比较高等缺点。之后研究人员提出了Y 源阻抗网络等新型阻抗源结构[7-12],利用耦合电感来进行升压,设计更加灵活,但输入电流不连续的问题没有得到解决。本文在该新型准Y 源结构[13]的基础上添加了二极管和电容,形成多个新的回路,保留了新型准Y 源变换器输入电流连续的特点,并且可以在较小的占空比下获得很高的电压增益,有效减少了开关损耗。

1 改进型变换器电路结构及工作原理

本文所提出的改进型Y 源变换器如图1 所示,该电路拓扑主要由3 个紧密耦合的电感N1,N2,N3以Y 形连接,在传统准Y 源变换器的基础上在耦合电感N1、N2支路上分别新增了一个电容和一个二极管,最后将二极管D1与二极管D2首尾相连形成一个新的回路。

图1 改进型Y 源变换器

当电路处于稳态时,变换器根据开关管的开通与关断分为两个工作状态:直通与非直通状态。两种工作状态的等效电路如图2 所示。

图2 变换器等效电路

电路的直通状态如图2(a)所示,开关管S 处于导通状态,此时二极管D1和D3因为承受反向电压而关断。直流电源和电容C3向电感L1放电,电感储存能量,电容C2和C1向三绕组耦合电感充电。此时输入与输出分隔开,负载由C4供能。此时,由KVL 可得:

式中:N1,N2,N3为三绕组的匝数,且各绕组电压比等于绕组匝数比。

电路的非直通状态如图2(b)所示,此时开关管S 与二极管D2断开,D1与D3导通。电源与电感向耦合电感释放能量,并同时给电容C1～C4进行充电,负载在非直通期间也由电源和电感提供能量。根据KVL,可以得到下列关系式:

由式(2)和式(3)可得:

由式(5)可得:

由电感的伏秒平衡结合式(7)、式(8)可得:

式中:D为开关S 的直通占空比。由式(6)、式(9):

式(1)、式(4)由伏秒平衡并结合式(10)可得:

式中:K为变换器的绕组系数,由输入与输出的关系式便可得知,本电路拓扑的电压增益为:

可以由上式得出占空比的取值范围为:

所以占空比D的取值范围会随着绕组系数K的变化而改变。表1 和图3 清楚地表示了不同K值所对应的占空比取值范围、电压增益以及匝数比。相较于Z 源拓扑结构,Y 源变换器中绕组系数K的加入,使电压增益G不再只由占空比D所控制,因此电路参数的设计变得更加灵活和高效。

图3 不同K 值下的电压增益

表1 不同绕组系数K 和占空比D 下的变换器电压增益

图4 为绕组系数K为4 时电压增益和占空比的关系图,由图4 可知,在绕组系数相同时,改进型Y 源变换器(IY)与Y 源(Y)和准Y 源(QY)变换器相比,在占空比相同的情况下,拥有更强的升压能力,可以在较小的占空比下实现电压的大幅度提升,降低了电路损耗,提高了电路工作效率。

图4 三种拓扑升压比较

2 电压应力分析

随着变换器升压比例的提高,电路中的元器件也会同时承受较高的电压,此时就不得不选用耐压能力更高的元器件,这会使电路的成本提高,而且电路的安全性和稳定性也会受到很大影响。

根据式(8)、式(11)、式(12),本文所提出拓扑的电容电压可得:

电路中电容器电压各不相同,但都和电压增益G有一定的关联,表2 汇总了Y 源、准Y 源、改进型Y 源的电容器电压应力,以及它们各自与其增益G的关系式,可以清楚地比较出在相同电压增益条件下电容电压应力的高低。

由表2 可知,当G相同时,改进型Y 源变换器的电容器C1的电压是Y 源与准Y 源变换器的1/K倍,大幅度减小了电容器C1的电压应力。当D、K取值相同时,电容器C2的电压与准Y 源变换器的两个电容相比都有所减小。而电容器C3的电压大小会随着K的取值发生变化,当K取值较大时改进型Y 源变换器的VC3则会比准Y 源的VC3小。总的来说,该电路拓扑增加了电容器的数量,但电容器的电压应力有明显的降低,电路的安全性和可靠性得到有力保障。

表2 3 种拓扑电容电压分析

电路中各二极管与开关管的电压应力也可以根据电路工作状态直接求出,并在仿真电路图中得到验证。

直通状态时,可得二极管D1和D3电压:

非直通状态时,可得二极管D2,开关管S 电压:

由上式可知二极管与开关管的电压都与占空比D、绕组系数K有关,因此可以选择合适的K、D取值,使电路各器件的电压应力达到最优值,保证电路的运行。

3 仿真与实验验证

为了验证上述理论分析,根据电路拓扑在MATLAB/Simulink 中搭建模型,并设置相应的参数比较不同条件下的工作状态。在实验室搭建硬件实验电路,对电路拓扑进行实验验证。仿真参数如表3 所示。

表3 各元件参数

根据表3 中的数据进行模拟仿真,当K＝2,D＝0.2、D＝0.15 时的输出电压、输入电流以及二极管的导通情况如图5 所示。在理想状况下,仿真输出值与理论输出值60 V、43.6 V 基本一致。二极管的开通情况也与电路的两种工作状态一致。

图5 仿真波形

由仿真得到的输出功率与输入功率的比值可以得出电路的工作效率,图6 为K＝2 时电路在不同占空比下的工作效率曲线,可以看出,由于漏感的存在,效率会随着占空比D的增大而逐渐降低,但电路在绝大多数占空比条件下的工作效率都可以保持在一个较高的水平。

图6 工作效率曲线

根据Simulink 仿真,搭建如图7 所示实验电路,选用DSP 芯片TMS320F28335 产生占空比为0.15的PWM 信号来控制IGBT 的导通与关断,电路器件的型号参数与仿真时一致。当输入为24 V,K设置为2 时输出电压、电容电压波形如图8 所示。

图7 电路实物图

由式(13)、式(17)～式(19)可以计算出此时的理论值分别为VO＝87.27 V、＝37.09 V、＝50.18 V,与图8 所示的结果基本一致,证明了上述理论分析和仿真实验的可行性,纵坐标每格表示30/20 V,横坐标每格表示50 μs。

图8 实验波形图

4 结语

本文介绍了一种改进型Y 源DC-DC 变换器电路拓扑,对其结构与工作原理展开了具体的分析,进行了相应的仿真与实验验证,证明了该变换器的可行性。该拓扑结构不仅输入电流连续,而且具有相对更强的升压能力,较低的占空比使得开关导通时间短,提高了系统工作效率,十分适用于光伏发电系统等输入电压较低的工作场合。