一种三电平高增益DC-DC变换器

2019-05-08张超兰陈乐朋潘迦蓝

通信电源技术 2019年4期

张超兰，陈乐朋，潘迦蓝

（三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌 443002）

0 引言

随着人类社会和科学技术的不断进步，光伏发电因具备分布广泛、无污染等优点，成为研究热点[1-3]。受光电池自身性能的限制，单光电池板的输出电压一般为30～50 V，而并网输入电压为380～400 V。因此，具有高升压能力的DC-DC变换器在光伏发电系统中具有重要作用[4]。

传统Boost变换器可通过增大主开关的占空比提升输出电压增益。但是，当主开关的占空比过大时，将导致开关管的电压应力增加，从而增大开关器件的损伤和开关损耗，降低变换器的效率和稳定性[5]。因此，提出了一种基于开关电容结构的DC-DC变换器，通过增加开关电容单元的数量提升输出电压增益，但开关电容单元的结构较复杂，需配备相应的辅助元件，大大增加了拓扑结构和控制策略的复杂度，同时在开关状态切换时易产生电流尖峰，损害元器件[6]。基于此，本文提出了一种新型三电平高增益DC-DC变换器，具有电路拓扑简单、开关管电压应力低、输出电压增益高及控制简单等优点。

1 工作原理

图1为三电平高增益DC-DC变换器的电路拓扑。为简化分析过程，作出如下假设：电路中的所有元器件均为理想器件，不考虑寄生参数；电容C1、C2为无穷大，且电容电压不变；电感电流连续，开关管Q1和Q2、Q3和Q4交错开通和关断，驱动信号反相。

图1 三电平高增益DC-DC变换器

变换器在一个工作周期T内有四个工作模态，变换器稳定工作时的主要波形和各模态的等效电路分别如图2和图3所示。

图2 变换器稳定工作时的主要波形

变换器的工作过程如下

模态一[t0～t1]：开关管Q1、Q2、Q3、Q4导通，二极管 D1、D2、D3、D4反向截止，电源Ui给电感L1、L2充电，电感电流线性上升，电容C3对负载RL供电，此时有：

其中，Ui为变换器的输入电压，UL1、UL2分别为电感L1、L2的两端电压，UC3为电容C3的两端电压。

模态二[t1～t2]：开关管Q1、Q4关断，Q2、Q3导通；二极管D1、D3导通，D2、D4反向截止；电源Ui与电感L1串联对电容C1充电，电源Ui与电感L2串联对电容C2充电，流过电感L1、L2的电流线性下降，电容C3对负载RL供电，此时有：

其中，UC1、UC2分别为电容C1、C2的两端电压。

模态三[t2～t3]：开关管Q1、Q2、Q3、Q4导通，二极管 D1、D2、D3、D4反向截止，电源Ui给电感L1、L2充电，电感电流线性上升，电容C3对负载RL供电。

模态四[t3～t4]：开关管Q1、Q4导通，Q2、Q3关断；二极管D2、D4导通，D1、D3反向截止；电源Ui与电感L1、L2，电容C1、C2串联向负载RL和电容C3供电，此时有：

其中，UO为变换器的输出电压。

2 性能分析

2.1 电压增益

设开关管Q1、Q2、Q3、Q4的占空比为D，根据电感L1的伏秒平衡可得：

联立式（1）、式（3）、式（5）及式（6），可得：

根据式（7）可知，变换器的输出电压增益为：

2.2 开关管电压应力

设开关管 Q1、Q2、Q3、Q4的电压应力分别为根据 KVL，可知：

联立式（3）、式（7）及式（9），可得：

联立式（1）、式（3）、式（4）、式（7）及式（10），可得：

联立式（3）、式（7）及式（9），可得：

联立式（1）、式（3）、式（4）、式（7）及式（12），可得：

图3 各模态等效电路

设二极管 D1、D2、D3、D4的电压应力分别为UD1、UD2、UD3、UD4，根据各模态等效电路可知，在模态一和模态三时，有：

联立式（1）、式（3）、式（4）、式（7）、式（17）及式（18），可得：

在模态二时，有：

联立式（1）、式（3）、式（4）、式（7）、式（20）及式（21），可得：

在模态四时，有：

联立式（1）、式（3）、式（4）、式（7）、式（23）及式（24），可得：

传统Boost变换器主开关管的电压应力为：

可见，相较于传统Boost变换器，本文提出的三电平高增益DC-DC变换器的开关管电压应力显著降低。

2.3 飞跨电容电压

设飞跨电容C1、C2两端电压分别为UC1、UC2。联立式（1）、式（3）、式（4）及式（7），可得：

3 仿真验证

为验证本文所提三电平高增益DC-DC变换器的可行性，利用PSIM软件进行仿真，变换器的具体参数如表1所示。

表1 变换器具体参数

变换器稳定工作时的PSIM仿真波形如图4所示。图4（a）为变换器的输入电压Ui、输出电压UO和输出电流IO的波形。根据式（7），可算出变换器的输出电压UO=700 V。图 4（b）为开关管Q1、Q2、Q3、Q4的电压波形，根据式（13）～式（16），可算出开关管Q1、Q2、Q3、Q4的电压应力均为200 V。图4（c）为二极管D1、D2、D3、D4的电压波形，根据式（19）、式（22）及式（25），可算出二极管D1、D2、D3、D4的电压应力均为200 V。图4（d）为飞跨电容C1、C2的电压波形，根据式（27）可算出UC1=UC2=200 V。根据仿真波形可看出，本文所提三电平高增益DC-DC变换器的仿真结果与理论分析基本一致。