1引言

　　全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，帶來了其副作用——能源的日趨枯竭。各種能源，尤其是石化能源，是最緊缺的能源，加之溫室效應(yīng)造成的生態(tài)環(huán)境破壞，各國其實(shí)早已對(duì)能源的可持續(xù)發(fā)展利用產(chǎn)生了相應(yīng)的考慮，不僅為自己的能源問題擔(dān)憂，也為后代的能源問題擔(dān)憂，因此，全球已經(jīng)達(dá)成了環(huán)境保護(hù)和能源再生的一致認(rèn)同。

　　在部分潔凈能源中所建立的電力系統(tǒng)，需要利用市電網(wǎng)路或是使用電池做為備載來源，無法全時(shí)提供電能，也就無法彌補(bǔ)其間歇性發(fā)電的缺憾。因此，在眾多潔凈能源之中，太陽能便成了最環(huán)保和最可持續(xù)的發(fā)電模式，能有效取代目前石油能源。因此，使用太陽能或燃料電池，作為發(fā)電系統(tǒng)的初始電力提供者，也就成為國家的能源策略發(fā)展重點(diǎn)。

　　雖然太陽能電池及燃料電池等新能源的開發(fā)，其重要性已經(jīng)成為大家的共識(shí)，而有深刻的了解。但整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)，除了以再生能源作為初始電力外，還必須以有效地利用能源為訴求。如圖1為太陽能發(fā)電系統(tǒng)的示意圖，太陽能電板吸收光能轉(zhuǎn)換為電能，并將其輸出的直流電壓，經(jīng)過直流-直流的電力轉(zhuǎn)換器及直流-交流的電力逆變器，轉(zhuǎn)換為直流及交流電，以供應(yīng)不同電氣器具及設(shè)備使用。因此，電力轉(zhuǎn)換技術(shù)是再生能源發(fā)電系統(tǒng)中，眾多關(guān)鍵技術(shù)中的一重要環(huán)節(jié)，需要彼此提升，相輔相成。

　　電力轉(zhuǎn)換技術(shù)在過去幾十年，經(jīng)過研究學(xué)者及工程人員的努力，已經(jīng)成為一相當(dāng)成熟的技術(shù)。但過去電力轉(zhuǎn)換需求，有很大的比率是以市電整流及功因改善電路后，成為400V直流高壓作電力轉(zhuǎn)換，或是以電池為原始電力，應(yīng)用在低功率的應(yīng)用場(chǎng)合。兩者的電力轉(zhuǎn)換應(yīng)用，都因其輸入側(cè)為一低電流的規(guī)格，半導(dǎo)體或其他元件的導(dǎo)通損耗相對(duì)較低，容易處理。反觀，再生能源的發(fā)電系統(tǒng)，其提供的輸入電壓為低直流電壓，需要轉(zhuǎn)換成高輸出的直流或交流電壓，才能在未來完全替代目前石化能源的發(fā)電系統(tǒng)，為大多數(shù)現(xiàn)行使用的設(shè)備使用，提供一穩(wěn)定的電力。以太陽能電池與燃料電池的電力系統(tǒng)為例，后級(jí)的電力轉(zhuǎn)換需要處理的是變動(dòng)范圍大的輸入低電壓。假設(shè)其產(chǎn)生的電壓為16~24V，若要求的輸出功率為5kW的電力需求，在最低的輸入電壓為16V工作條件下，將有高達(dá)300安培以上的輸入電流。只要電力轉(zhuǎn)換傳輸線上有一毫歐姆的電阻值，就有90瓦以上的損耗，除了造成轉(zhuǎn)換效率降低外，散熱的處理更是影響空間需求、可靠度及成本的主要因素。處理上述的大電流需求，可以采用單一電力轉(zhuǎn)換器并聯(lián)多個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)元件或采用多相式（Multiphase）并聯(lián)多個(gè)電力轉(zhuǎn)換器等方式，來達(dá)成高效率高功率密度電力轉(zhuǎn)換需求的目標(biāo)。因此，電力轉(zhuǎn)換技術(shù)面對(duì)此一應(yīng)用的挑戰(zhàn)，應(yīng)是如何提升電力轉(zhuǎn)換技術(shù)，讓每一個(gè)電力轉(zhuǎn)換器能更有效率地處理高升壓比、輸入大電流及輸出高電壓等所衍生的技術(shù)問題。

　　因此，本文提出一新型低輸出電流漣波升壓型電力轉(zhuǎn)換器（Boost Converter with Ripple Reduction, BCRR）電路架構(gòu)?；旧?，此一電路因其為電流饋入式，得以保留該型電路的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，又可以改善應(yīng)用于低壓-高壓的電力轉(zhuǎn)換器電路，所面臨的高輸入電流及高輸出電壓工作條件下的諸多挑戰(zhàn)，進(jìn)而可以達(dá)成高效率、高功率密度的設(shè)計(jì)目標(biāo)。本文除介紹此一電力轉(zhuǎn)換器電路架構(gòu)工作原理，并進(jìn)行以16-24V低輸入電壓，200V輸出電壓及320W輸出功率為電氣規(guī)格，制作一雛形電路實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證此一電路架構(gòu)能改善元件的高承受電壓及電流應(yīng)力，降低高壓輸出側(cè)脈動(dòng)波形的電流漣波，并提高以太陽能及燃料電池等低電壓為初始電力的發(fā)電系統(tǒng)的效率。

　　2 電路工作原理

　　圖2及圖3分別為本文提出一新型低輸出電流漣波升壓型電力轉(zhuǎn)換器電路及其主要電壓、電流波形。電路的組成，包括一輸入電感器Li，一變壓器T1，兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)元件Q1-Q2，一個(gè)箝位電容器C1，一個(gè)輸出電容器C0，及兩對(duì)兩兩串接在一起的整流二極體D1-D2-D3-D4。其中變壓器一次側(cè)有兩組繞組P1-P2，二次側(cè)有兩組繞組S1-S2，及兩組分別標(biāo)示為L(zhǎng)1-L2的二次側(cè)漏感。各組的匝數(shù)比，分別為P1：P2：S1：S2=1：1：N：N。

　　為簡(jiǎn)化電路的分析，假設(shè)：所有的半導(dǎo)體元件為理想；輸入電感器Li值足夠大，因此可視為一理想電流源；箝位電容器C1，一個(gè)輸出電容器C0足夠大，因此可視為一理想電壓源；漏感L1=L2。

　　本電路的工作原理，可區(qū)分為四個(gè)時(shí)區(qū)間，分別如圖4（a）-（d）所示。

　?。╝）T0-T1

　　如圖4（a）所示，閘級(jí)控制信號(hào)VGS1于T0加諸于半導(dǎo)體開關(guān)元件Q1。因此，半導(dǎo)體開關(guān)元件Q1和Q2同時(shí)被導(dǎo)通，變壓器一次側(cè)兩繞組P1-P2因此被短路，導(dǎo)致一次側(cè)輸入電壓跨在輸入電感器Li，處于充電狀態(tài)，電感電流因而呈線性上升。而在二次側(cè)，因整流二極體D1-D4，無法獲得導(dǎo)通的順向偏壓，均呈現(xiàn)關(guān)斷狀態(tài)。此時(shí)，一半的負(fù)載電流由輸出電容C0提供，另一半則由箝位電容器C1經(jīng)由C1（+）-S1-L1-R-S2-L2-C1（-）路徑提供。由于箝位電容器能分?jǐn)偞艘粫r(shí)區(qū)間所需要的負(fù)載電流，輸出電容的電流漣波得以降低為負(fù)載電流的一半。因此，得以選用較小數(shù)值的輸出電容器。另外，因?yàn)槎蝹?cè)繞組極性相反，跨在此二繞組上的電壓互相抵消，使得箝位電容器的平均電壓被箝制等于輸出電壓值V0。

　?。╞）T1-T2

　　如圖4（b）所示，閘級(jí)控制信號(hào)VGS2于T1被移除。在此一時(shí)區(qū)間，一次側(cè)輸入電壓及電感電壓總和，跨在變壓器一次側(cè)P1繞組，經(jīng)由變壓器二次側(cè)繞組S1，整流二極體D1-D2路徑，將大部分的輸入功率傳送到負(fù)載。同時(shí)，部分的輸入功率也分別對(duì)輸出電容C0及箝位電容器C1，經(jīng)由S1-L1-C0-D2-D1-S1和S2-D2-D1-C1-L2-S2路徑進(jìn)行充電。此時(shí)，二極體D3-D4，分別因D1-D2的導(dǎo)通，而被箝制于輸出電壓值V0。

　?。╟）T2-T3

　　如圖4（c）所示，閘級(jí)控制信號(hào)VGS2于T2加諸于半導(dǎo)體開關(guān)元件Q2。因此，半導(dǎo)體開關(guān)元件Q1和Q2同時(shí)被導(dǎo)通，變壓器一次側(cè)兩繞組P1-P2因此被短路，導(dǎo)致一次側(cè)輸入電壓跨在輸入電感器Li，處于充電狀態(tài)，電感電流因而呈線性上升。而在二次側(cè)，因整流二極體D1-D4，無法獲得導(dǎo)通的順向偏壓，均呈現(xiàn)關(guān)斷狀態(tài)。此時(shí)，一半的負(fù)載電流由輸出電容器C0提供，另一半由箝位電容器C1經(jīng)由C1（+）-S1-L1-R-S2-L2-C1（-）路徑提供。由于箝位電容器能分?jǐn)偞艘粫r(shí)區(qū)間所需要的負(fù)載電流，輸出電容器的電流漣波得以降低為負(fù)載電流的一半。因此，得以選用較小數(shù)值的輸出電容器。另外，因?yàn)槎蝹?cè)繞組極性相反，跨在此二繞組上的電壓互相抵消，使得箝位電容器平均電壓被箝制于輸出電壓值V0。

　　（d）T3-T0

　　如圖4（d）所示，閘級(jí)控制信號(hào)VGS1于T3被移除。在此一時(shí)區(qū)間，一次側(cè)輸入電壓及電感電壓總和，跨在變壓器一次側(cè)P2繞組，經(jīng)由變壓器二次側(cè)繞組S2，整流二極體D3-D4路徑，將大部分的輸入功率傳送到負(fù)載。同時(shí)，部分的輸入功率也分別對(duì)輸出電容器C0及箝位電容器C1，經(jīng)由S1-C1-D3-D4-L1-S1和S2-L2-D3-D4-C0-S2路徑進(jìn)行充電。此時(shí)，二極體D1-D2，分別因D3-D4的導(dǎo)通，而被箝制于輸出電壓值V0。

　　從前一節(jié)的探討，在半個(gè)工作周期內(nèi)，個(gè)別存在一儲(chǔ)存能量及傳送能量的時(shí)區(qū)間，Tcharge及Ttransfer各時(shí)區(qū)間的長(zhǎng)短，可以依如下公式求得：

　　另外從變壓器的伏秒平衡，此一電路的電壓增益可以導(dǎo)出如下：

　　其中的工作周期，D，應(yīng)大于50%，變壓器的匝數(shù)比也可依下列公式求得：

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示

　　為驗(yàn)證本文所提出的一新型低輸出電流漣波升壓型電力轉(zhuǎn)換器，將以16-24V低輸入電壓，200V輸出電壓及320W輸出功率為規(guī)格，進(jìn)行一雛形電路實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證此一電路架構(gòu)的可行性及其電氣性能。其規(guī)格、主要選用元件及參數(shù)條列于表1。

　　圖5（a）及圖5（b）所示為所提出的新型低輸出電流漣波升壓型電力轉(zhuǎn)換器，分別在高輸入電壓、輕載工作狀況及低輸入電壓、滿載工作狀況的主要電壓及電流波形。各國中的第三、四組波形分別為VDS1及VDS2電壓，都被箝制在2V0/N（53V）。雖然，二極體D2及D4的波形沒有顯示。但透過第五、六組的波形，可以讀到或計(jì)算D1-D4分別箝制在V0。

　　依照電路分析結(jié)果，本電路具有低輸出電流漣波的優(yōu)點(diǎn)，此一特性可以從實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。圖6為操作于低輸入電壓16V，滿載320W的工作條件下的實(shí)驗(yàn)波形。其中第四組波形顯示輸出電壓漣波滿足0.5V的電氣規(guī)格。而第三及第五組的波形。其中第四組波形顯示輸出電壓漣波滿足0.5V的電氣規(guī)格。而第三及第五組的波形，分別為箝位電容C1，及輸出電容C0的電流波形IO1，ICO的波形，顯示在輸入電感儲(chǔ)能階段，輸出電容因有箝位電容的協(xié)助，只需要提供一半的輸出電流。因此，輸出電容值可以選用68uF/450V；相較于傳統(tǒng)的中間抽頭的全波整流，若為滿足同樣的規(guī)格，必須使用的330uF/450V，明顯地有減少空間需求及降低成本的優(yōu)勢(shì)。

　　圖7為本電路在不同的輸入電壓及不同的負(fù)載電流下，功率級(jí)電路的效率量測(cè)數(shù)據(jù)。由于本電路高輸入電流及高輸出電壓的應(yīng)用，低輸入電壓反而因?qū)〒p耗增加，效率較低。而最大的效率，為工作于最高輸入電壓3/4滿載電流的工作狀況下獲得，可達(dá)到92.19%。

　　4 結(jié)語

　　本文太陽能及燃料電池等再生能源電力系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)中的廣大應(yīng)用前景，提出一新型低電流漣波升壓型電力轉(zhuǎn)換器。由于本電路利用輸入電感提供的升壓功能，因此得以使用較小匝數(shù)比（15：2=7.5）的變壓器，達(dá)成高輸出電壓的增益（200/16=12.5）的電氣規(guī)格；也因匝數(shù)比下降，變壓器繞制所產(chǎn)生雜散感抗及容抗值隨之降低，因而改善電力轉(zhuǎn)換器的性能。同時(shí)，因箝位電容器兼具漏感能量的回收及二極體電壓的箝位功能，整流二極體沒有因高壓變壓器二次側(cè)的漏感，產(chǎn)生電壓突波，得以選用低電壓的二極體，而降低導(dǎo)通損失；又因輸出電流漣波的降低，得以選用較低數(shù)值的輸出電容器，節(jié)省空間及成本。