《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于DCM的級聯(lián)型直流升壓變換器
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第11期
魏 振，江智軍，楊曉輝
南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌330031
摘要： 為滿足新能源發(fā)電系統(tǒng)中對高增益直流升壓變換器的要求及其迎合電動(dòng)汽車中需要多級高壓直流供電的運(yùn)用場合，提出了一種基于DCM模塊的高增益直流升壓變換器。分析了該高增益升壓變換器的工作原理及其性能特點(diǎn)，并就其主要性能與現(xiàn)階段的一些其他高增益直流變換器進(jìn)行了對比研究。最終通過實(shí)驗(yàn)室一臺額定功率為170 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)證實(shí)了該變換器的有效性。
中圖分類號： TM72
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.181211
中文引用格式： 魏振，江智軍，楊曉輝. 基于DCM的級聯(lián)型直流升壓變換器[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(11)：142-144，149.
英文引用格式： Wei Zhen，Jiang Zhijun，Yang Xiaohui. Cascaded DC Boost converter based on DCM[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(11)：142-144，149.
Cascaded DC Boost converter based on DCM
Wei Zhen，Jiang Zhijun，Yang Xiaohui
College of Information Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China
Abstract： In order to meet the requirements of high-gain DC Boost converters in new energy generation systems and meet the needs of multi-stage high-voltage DC power supply in electric vehicles, this paper presents a high-gain Boost converter based on DCM module. The article analyzes the working principle and performance characteristics of the Boost converter, and compares its main performance with some other high-gain DC converters at the present stage. Finally, the effectiveness of the converter was verified by a laboratory prototype with a rated power of 170 W.
Key words : diode-capacitance module；cascade type；DC Boost；high gain converter

0 引言

    由于單塊光伏板輸出的電壓一般為33～43 V，難以滿足逆變并網(wǎng)系統(tǒng)對高壓直流電的要求[1]；常見的傳統(tǒng)Boost升壓變換器又不適用于電壓增益超過6的場合[2-3]；隔離型直流升壓變換器體積較大、其對電能的能量轉(zhuǎn)換效率亦不可能較高[4-5]，因此現(xiàn)階段常用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中的直流升壓變換器多是非隔離型的[7-8]。

    本文針對光伏發(fā)電系統(tǒng)中對直流升壓變換器的要求，提出了一種基于DCM模塊的高增益非隔離型直流升壓變換器。首先分析了該高增益直流升壓變換器的工作原理及其性能特點(diǎn)，并就其主要性能與現(xiàn)階段的一些其他高增益直流變換器進(jìn)行了對比研究。最終通過實(shí)驗(yàn)室一臺額定功率為170 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)證實(shí)了該變換器的有效性。

1 工作原理

    本文提出的基于DCM(Diode-Capacitor Module)的級聯(lián)型直流升壓變換器如圖1所示。為了簡化后續(xù)分析，現(xiàn)對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的元器件作如下假設(shè)：(1)忽略結(jié)構(gòu)中所有元器件的寄生參數(shù)；(2)結(jié)構(gòu)中所有電感工作在連續(xù)傳導(dǎo)模式(Continuous Conduction Model，CCM)；(3)結(jié)構(gòu)中所有電容兩端的電壓恒定。

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    所提變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中部分元器件的波形如圖2所示。其中iL1、iL2分別為流經(jīng)電感L1和L2的電流，VC1、VC2分別為加載在電容C1和C2兩端的電壓，VD1、VD2分別為加載在二極管D1和D2兩端的電壓。其中Ton、Toff分別為開關(guān)管S在一個(gè)時(shí)鐘周期T內(nèi)的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間。

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    由于所提變換器工作在CCM模式下，因此其有兩種工作狀態(tài)：開關(guān)管S導(dǎo)通與斷開。

    (1)開關(guān)管S導(dǎo)通

    當(dāng)開關(guān)管S閉合導(dǎo)通時(shí)，其等效電路如圖3(a)所示。其中二極管D1、D3、D5關(guān)斷，二極管D2、D4導(dǎo)通。此時(shí)變換器中有4個(gè)回路?；芈?：電源VDC通過二極管D2和開關(guān)管S給電感L1充電；回路2：電容C1通過開關(guān)管S給電感L1充電；回路3：電容C3通過二極管D4與開關(guān)管S給電容C2供電；回路4：電容C3和電容C4串聯(lián)給負(fù)載R供電。

    由回路1可得：

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    (2)開關(guān)管S斷開

    當(dāng)開關(guān)管S斷開時(shí)，其等效電路如圖3(b)所示。其中二極管D1、D3、D5導(dǎo)通，二極管D2、D4斷開。此時(shí)變換器中有4個(gè)回路?；芈?：電源VDC和電感L1串聯(lián)，通過二極管D1給電容C1充電；回路2：電容C1和電感L2串聯(lián)，通過二極管D3給電容C3充電；回路3：電容C2通過二極管D3和D5給電容C4充電；回路4：電容C3和電容C4串聯(lián)給負(fù)載R供電。

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    由回路1可得：

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    由回路3可得：

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2 性能分析

2.1 電壓增益M

    對電感L1運(yùn)用伏秒平衡：

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2.2 電壓應(yīng)力

    (1)開關(guān)管S電壓應(yīng)力VvpS

    由圖3(b)回路2可知：

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    (2)二極管電壓應(yīng)力VvpD

    由圖3(a)回路1可知：

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3 變換器的性能對比

    表1列出了本文所提變換器與文獻(xiàn)[7]、文獻(xiàn)[8]和傳統(tǒng)Boost電路在連續(xù)傳導(dǎo)模式下的性能比較。

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    由表1中參數(shù)MCCM可知，本文所提變換器具有較高的電壓增益，能夠很好地滿足新能源發(fā)電系統(tǒng)中對高增益直流升壓變換器的要求。由表1中參數(shù)VvpS可知，本文所提變換器中的開關(guān)管具有較低的開關(guān)管電壓應(yīng)力，能很好地降低能量在開關(guān)管上的損耗，在實(shí)際元器件選型時(shí)，低耐壓開關(guān)管就能滿足變換器需求，能很好地降低元器件成本。由表1中參數(shù)VvpD1可知，本文所提變換器中的二極管具有較低的電壓應(yīng)力，該變換器在實(shí)際工作中能有效降低能量在二極管上的損耗，能有效提高變換器整體的能量轉(zhuǎn)換效率。

4 實(shí)驗(yàn)研究

    為了驗(yàn)證對本文所提變換器所做分析的正確性，在實(shí)驗(yàn)室根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖1制作了一臺額定功率為170 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)用參數(shù)如表2所示。

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    圖4所示為試驗(yàn)過程中加載于開關(guān)管S柵極與源極之間的驅(qū)動(dòng)信號Vgs及其漏極與源極兩端的電壓應(yīng)力VvpS的曲線，由此可知開關(guān)管S控制信號的占空比D=0.5，其電壓應(yīng)力讀數(shù)為80 V，與理論計(jì)算值相符。圖5所示為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的輸入電壓VDC和輸出電壓VO的實(shí)驗(yàn)波形，其讀數(shù)值分別為20 V和160 V，其與理論計(jì)算值相符。圖6所示為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中二極管D1和D2兩端的電壓值VD1、VD2，即其電壓應(yīng)力VvpD1、VvpD2，其讀數(shù)值均為40 V，與理論計(jì)算值相一致。

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5 結(jié)論

    為了滿足新能源發(fā)電系統(tǒng)中對高增益直流升壓變換器的要求及迎合電動(dòng)汽車中需要多級供電的運(yùn)用場合，本文提出了一種基于DCM模塊的高增益直流升壓變換器。首先分析了該變換器的工作原理及其性能特點(diǎn)，并就其主要性能參數(shù)和現(xiàn)階段的一些其他高增益直流變換器進(jìn)行了對比認(rèn)識。最終通過實(shí)驗(yàn)室一臺170 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)證實(shí)了該變換器的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該變換器具有電壓增益高、開關(guān)管和其二極管電壓應(yīng)力較低等特點(diǎn)。其能很好地滿足新能源領(lǐng)域中對高增益直流升壓變換器的要求。

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作者信息:

魏  振，江智軍，楊曉輝

（南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌330031）

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