一种非隔离型高增益DC_DC变换器仿真分析_吕洋.pdf

东北电力技术 年第 卷第 期一种非隔离型高增益 变换器仿真分析吕 洋（三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌）摘要：传统的、以及 等基本变换器由于受到 板和器件的影响，升压能力受到了限制。为此提出了一种非隔离型高增益 变换器及控制方案，相较于传统变换器而言具有更高的电压增益，且电路拓扑简单，成本低。首先对所提变换器的拓扑结构进行了简要阐述，然后对变换器的工作原理以及器件的电压电流应力等进行了详细分析，最后通过仿真验证了理论分析的正确性。仿真结果表明，所提变换器可用于直流微电网、电动汽车以及燃料电池无人机等需要高升压能力的场合。关键词：可再生能源；直流微网；非隔离；高增益中图分类号 文献标志码 文章编号（）（，）：，：；近年来，随着化石能源的排放量越来越大，导致全球变暖的环境问题受到了广泛关注，在第七十五届联合国大会一般性辩论上，我国政府明确表态二氧化碳排放力争于 年前达到峰值，努力争取 年前实现碳中和。而太阳能等新能源有着天然无污染、零排放的特点。因此研究太阳能如何成为可再生的清洁利用燃料尤为重要，不仅拥有巨 大 的 能 源，而 且 比 其 他 新 能 源 更 具 可 持续性。但从太阳能光伏板的输出电压来看，其输出电压（）相对较低，难以满足微电网直流母线电压要求，而在电动汽车领域，燃料电池等新型能源输出电压较低而且变化范围比较大，通常低于 ，因此在电动汽车以及燃料电池无人机等领域也具有广泛应用。因此，具备高增益的 变换器成为研究热点之一。隔离型高增益 变换器是通过改变变压器的匝数比来实现高增益，但变压器天然存在的漏感会在开关管上引起严重的电压尖峰，对于开关管的选型范围和成本造成一定困难，多采用钳位电路对漏感进行限制，但会造成变换器拓扑控制方式复杂，并使得变换器功率密度较低以及成本变高等问题。文献提出了一种隔离型高增益 变换器，利用变压器的变比和开关电容来实现高电压增益，但分别用了有源钳位电路和软开关来吸收变压器漏感，使得变换器的体积增加，功率密度降低。文献提出了一种可扩展式高增益非隔离型 变换器，利用开关电感的数量来改变输出电压增益，增益可根据不同电压等级来调整，但每 个开关电感单元都含有有源器件，增加控制、驱动电路的复杂度。文献提出了一种具有高增益的非隔离型双向 变换器，该拓扑具有结构简单、输入电流连续、电压增益范围大以及开关管电压应力较低等优点，但增加了开 年第 卷第 期吕 洋：一种非隔离型高增益 变换器仿真分析 关管的数量，使得该变换器开关损耗较大、效率较低以及成本较高。文献开关管的电压应力较低、输入电流连续且具有较高升压能力，但变换器整体上二极管数量较多，增加了变换器的损耗，且存在电路结构较复杂以及功率密度较低等问题。传统的 电路具有输入电流连续、开关电压应力较低等优势，因此本文在 电路的基础上利用电容储能的特点，加入双电感从而减小输入电流，通过交错并联的方式，提出了一种具有高增益的非隔离型 变换器，可用于直流微网等需要高升压能力的场合，其主要特点如下。.所提变换器相较于传统变换器具有较高的升压能力，且结构简单、成本低。.该变换器的 个开关管占空比相同且相位相差，因此闭环控制器设计相对简单，稳定性高。.输入端 个电感并联，减小了电感感值及电流应力，电感选型更加广泛。本文介绍了变换器的拓扑结构及其工作原理，利用变换器的开关模态详细分析了非隔离高增益 变换器的性能特点，利用仿真软件进行理论验证，最后对本文所提变换器进行总结。变换器拓扑和工作原理所提出的变换器拓扑如图 所示。该拓扑 个输入源、个电感、个电容、个二极管以及 个开关管组成，为了简化分析过程做以下假设。.电感电流连续，忽略电感电流纹波的影响；.所有电容的容值都足够大，忽略电容电压的影响；.开关管、占空比 相等，相位相差，且.；.所有的电路器件都认为工作在理想状态下，忽略电路和开关器件寄生参数的影响。图 所提变换器的拓扑结构所提变换器在 个开关周期内的主要波形如图 所示，在 个开关周期内，该变换器一共有 个开关模态，各模态等效电路图如图 所示。图 个开关周期内的主要波形.开关模态，：如图（）所示，在该模态下，开关、导通，二极管、关断。输入源 通过开关 给电感 供电，输入源通过开关 给电感 供电，电容 通过开关 放电给电感 供电，电容 放电给负载 供电。此状态下电感电流、线性上升，电容电压、下降。.开关模态：如图（）所示，在该模态下，开关 导通，关断，二极管 导通，关断。输入源 通过开关 给电感 供电，输入源 和电感 通过开关 和二极管 给电容 和 充电，电感 通过开关管 和二极管放电给，电容 放电给负载 充电。此状态下电感电流 线性上升，电感电流、线性下降，电 容 电 压、上 升，电 容 电 压下降。.开关模态：如图（）所示，在该模态下，开关 关断，导通，二极管 关断，导通。输入源、电感 以及电容 通过二极管 共同给电容 和负载 供电，输入源 通过开关 给电感 供电，电容 通过开关 放电给电感。此状态下电感电流 线性下降，电感电流、线性上降，电容电压、下降，电容电压上降。东北电力技术 年第 卷第 期（）模态（）模态（）模态 图 开关模态等效电路 性能特点.电压增益根据电感、的伏秒平衡原理，可得：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）由式（）可得到所提变换器电容、的电压应力以及输入输出电压增益比。（）则该变换器的电压增益比为（）.开关器件电压应力设开关、的电压应力分别为、，二极管、的电压应力分别为、，则根据图 开关模态等效电路可知式（）。（）.开关器件电流应力忽略电感电流、输入电流和输出电流纹波的影响，设输入电流、输出电流以及电感、的电感电流分别为、，根据电容、的安秒平衡原理，可得：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）由式（）可得到所提变换器电感、的电流应力为（）设流过开关、的平均电流分别为、，二极管、的平均电流分别为、，则根据图 开关模态等效电路可知：（）（）（）（）（）（）（）通过以上分析可知，该变换器相较于传统的升压变换器具有更高的升压能力、结构简单、成本低且电感并联减小流过电感电流，使得变换器响应速度更快。仿真分析为了验证理论分析，基于 搭建了含 个输入单元变换器拓扑的仿真模型，具体参数设计如表 所示。年第 卷第 期吕 洋：一种非隔离型高增益 变换器仿真分析 表 主要参数设置试验参数数值输入端电压 输出端电压 电感、电容、开关频率 输出功率 负载电阻 仿真波形如图 所示。图 （）为开关管、的驱动电压波形和输入输出电压波形，开关管、的占空比为.且相位相差，仿真结果与理论分析一致。图 （）为开关管、以及二极管、的电压波形，与理论值 ，一致，图 （）为电容、的电压波形，与理论值 、一致，图 （）为电感、的电流波形，与理论值 .、.、结果一致。可以看出该变换器与理论分析一致，可应用于高升压场合。通过理论计算得出主电路元器件参数，运用 仿真软件搭建样机仿真模型，可以看出仿真波形与理论计算结果一致。（）驱动电压、输入和输出电压波形（）开关管、以及二极管、电压波形（）电容、电压波形（）电感、电流波形图 该变换器在连续导通模式下仿真波形 结语本文提出了一种新型的非隔离型高增益 变换器。详细分析了变换器的工作原理和各开关器件的电压电流应力以及电压增益，并利用仿真对理论分析进行理论验证。该变换器具有结构简单、成本低、控制简单以及高升压能力等特点，适用于太阳能光伏板、燃料电池等输入电压较低但需要高输出高升压能力的场合，是一种具有广泛应用前景的拓扑结构。参考文献：王捷，林余杰，吴成坚，等 碳中和背景下太阳能光伏产业现状及发展 储能科学与技术，（）：刘仁厚 从四个方面认识和把握碳达峰碳中和战略 科技中国，（）：王 泽 太阳能作为新能源的应用前景 皮革制作与环保科技，（）：刘云龙，刘健，侯俊，等 一种智能可折叠太阳能光伏板系统 科技风，（）：孟醒 太阳能利用的新方向 中国工业和信息化，（）：邾玢鑫，黄煜，佘小莉，等 一种适用于 变换器的可拓展电压增益单元电路 电力自动化设备，（）：周雒维，周远志，罗全明，等 一种交错并联高升压 变换器 电机与控制学报，（）：邾玢鑫，程 杉，谭超 隔离型高增益 变换器 电力自动化设备，（）：易灵芝，李青平，胡炎申，等 基于 谐振的新型软开关双向 变换器 电力自动化设备，（）：，.（），：（下转第 页）东北电力技术 年第 卷第 期 张文雯 自动测试系统软件开发模式研究 电子世界，（）：陈飞建，吕元双，樊国盛，等 基于信息融合的智能变电站继电保护设备自动测试系统 电力系统保护与控制，（）：彭安虎，韩周安，李志强 阵列自动测试系统去嵌入技术研究 中国测试，（）：谢 春 自动化测试系统设计与实现 成都：电子科技大学，作者简介：李 宁（），女，硕士，工程师，从事继电保护及自动化产品和二次设备的研发测试工作。（收稿日期）（编辑：孙丝萝）（上接第 页）潘俊东 分布式光伏并网系统中逆变器调压策略 通信电源技术，（）：李 鹏，于 航，夏曼，等 分布式光伏集群分层多模式无功控制策略 电网技术，（）：刘 蕊，吴奎华，冯亮，等 含高渗透率分布式光伏的主动配电网电压分区协调优化控制 太阳能学报，（）：刘 辉，邓长虹，张志刚，等 基于光伏逆变器功率协调控制的电压调节方法 现代电力，（）：黄 堃，刘 澄，吕潇，等 计及本地负荷的分布式光伏并网电压协同控制策略 电网与清洁能源，（）：高 冰，周文博，王正平 配电网多太阳能光伏系统分布式协调控制策略 电力电容器与无功补偿，（）：作者简介：顾泰宇（），男，硕士，主要从事配电运维管理、分布式光伏接入、配电无功补偿等技术研究。（收稿日期）（编辑：孙丝萝）（上接第 页）丁 杰，尹华杰，赵世伟 反激式隔离型高增益 变换器 电源学报，（）：丁 杰，赵世伟，尹华杰 新型软开关隔离型高增益 变换器 电工电能新技术，（）：，.，（），：，.，（），.，.，（）：作者简介：吕 洋（），男，硕士在读，研究方向为高增益 变换器拓扑及控制等。（收稿日期）（编辑：孙丝萝）节能减排就在你我身边