耦合電感式高增益Boost變換器分析研究

， ，

1.(安徽新華學(xué)院，安徽 合肥 230000；2.安徽省煤炭科學(xué)研究院，安徽 合肥 230001)

0 引 言

近年來，新能源開發(fā)和利用備受關(guān)注。如在光伏和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，因其輸出電壓等級(jí)較低，不能滿足需求，需直流變換器的參與來提高電壓等級(jí)。

國(guó)內(nèi)外專家提出很多高升壓比和高效率的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[1]提出將串并聯(lián)二極管電容網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)Boost電路結(jié)合，相同占空比下可提高升壓比，但占空比范圍有一定限制，且開關(guān)管電壓、電流應(yīng)力較大。文獻(xiàn)[2-3]提出改進(jìn)二次型Boost變換器拓?fù)?，在電流連續(xù)模式下升壓能力有所提升，但占空比增大，優(yōu)勢(shì)不明顯。文獻(xiàn)[4]提出利用開關(guān)電感的Boost變換器拓?fù)洌岣吡穗妷涸鲆?，但?duì)開關(guān)管及二極管的電壓應(yīng)力減少不明顯，且增加了原器件數(shù)量，電路可靠性差。

耦合電感式高增益直流變換器，通過改變占空比來改變輸出電壓，還可通過調(diào)節(jié)線圈匝比來提高升壓比。同時(shí)主開關(guān)管的電壓、電流應(yīng)力大大減少，從而極大地減少了開關(guān)損耗。

1 電路分析

1.1 工作原理

耦合電感型高增益直流變換器拓?fù)鋱D如圖1所示。用耦合電感替換普通電感，由于耦合電感可以等效為原、副邊匝比為N(n1/n2)的理想變壓器與激磁電感Lm并聯(lián)后再與漏感Lk相串聯(lián)，其中Lk包含原邊漏感及副邊折算到原邊的等效漏感。為了便于分析，將變換器進(jìn)行等效變換，等效電路圖如圖2所示。下面將根據(jù)等效電路圖分析其工作原理，分析之前需做出如下假設(shè)：1)所有器件均為理想器件，不考慮寄生參數(shù)的影響，但開關(guān)管的寄生電容Cs存在；2)電容C足夠大；3)在考慮漏感時(shí)，耦合系數(shù)k=Lm/(Lm+Lk)，耦合電感的匝比N=Ns:Np。

圖1 主電路 圖2 等效電路

(1)理想情況，不考慮漏感Lk

當(dāng)變換器穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，在一個(gè)開關(guān)周期T內(nèi)共有兩個(gè)工作模態(tài)。

模態(tài)Ⅰ：當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，工作電流的流通路徑如圖3所示。在這一階段，電源電壓Vin對(duì)耦合電感的原邊線圈進(jìn)行充電，原邊線圈存儲(chǔ)能量。在開關(guān)管關(guān)斷之前，這一工作模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)Ⅱ：當(dāng)開關(guān)管S關(guān)斷時(shí)，工作電流的流通路徑如圖4所示。在這一階段，開關(guān)管關(guān)斷的瞬間，耦合電感原邊的部分能量轉(zhuǎn)移到副邊線圈上。同時(shí)，電源電壓、原邊線圈電壓、副邊線圈電壓共同向電容C和負(fù)載R充電，原邊線圈存儲(chǔ)的能量釋放完畢，這一工作模態(tài)結(jié)束。

圖3 導(dǎo)通時(shí)電流流通路徑 圖4 關(guān)斷時(shí)電流流通路徑

(2)實(shí)際情況，考慮漏感Lk

當(dāng)考慮漏感時(shí)，該變換器就不止工作在兩個(gè)模態(tài)，而是三個(gè)模態(tài)，其中在開關(guān)管斷開的期間內(nèi)就有兩個(gè)模態(tài)，包括漏感的能量釋放到寄生電容Cs上、電源電壓與耦合電感的電壓向負(fù)載和電容C釋放能量。

模態(tài)Ⅰ：當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，工作電流的流通路徑如圖5所示。在這一階段，電源電壓Vin對(duì)耦合電感的原邊線圈進(jìn)行充電，原邊線圈存儲(chǔ)能量。在開關(guān)管關(guān)斷之前，這一工作模態(tài)結(jié)束。

圖5 開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電流流通路徑

模態(tài)Ⅱ：當(dāng)開關(guān)管S關(guān)斷時(shí)，工作電流的流通路徑如圖6所示。在這一階段，由于漏感的存在，電流方向不能突變，且漏感的能量釋放到開關(guān)管的寄生電容Cs上，對(duì)電容Cs進(jìn)行充電，由于漏感的值很小，其儲(chǔ)存的能量也有限，所以這一過程持續(xù)的時(shí)間非常短，當(dāng)輸出二極管開始導(dǎo)通時(shí)，這一工作模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)Ⅲ：開關(guān)管S繼續(xù)關(guān)斷，工作電流的流通路徑如圖7所示。在這一階段，輸出二極管D開始導(dǎo)通，耦合電感原邊的部分能量轉(zhuǎn)移到副邊線圈上。同時(shí)，電源電壓、原邊線圈電壓、副邊線圈電壓共同向電容C和負(fù)載R充電，原邊線圈存儲(chǔ)的能量釋放完畢，這一工作模態(tài)結(jié)束。

圖6 關(guān)斷瞬間電流流通路徑 圖7 關(guān)斷后電流流通路徑

1.2 性能分析

(1)理想情況，不考慮漏感存在

在圖5中，激磁電感Lm在開關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)存儲(chǔ)能量，在S關(guān)斷時(shí)釋放能量。由伏秒平衡原則可以推導(dǎo)出變換器的電壓增益。在S導(dǎo)通時(shí)，即模態(tài)Ⅰ，根據(jù)KVL定律可得，激磁電感兩端的電壓為VmI。當(dāng)S關(guān)斷時(shí)，即模態(tài)Ⅱ，根據(jù)KVL定律可得，激磁電感兩端的電壓為VmII。

(1)

(2)

由式(2)得：

(3)

在一個(gè)開關(guān)周期T內(nèi)，根據(jù)伏秒平衡原則，有：

(4)

即：

(5)

由式(5)可得電壓增益M為：

(6)

接下來分析開關(guān)管S和輸出二極管D的電壓應(yīng)力VT和VD。在S關(guān)斷時(shí)，根據(jù)KVL定律得：

Vo-Vin=Vp+Vs

(7)

(8)

VT=Vin+Vp

(9)

由式(7)、(8)和(9)得：

(10)

在S導(dǎo)通時(shí)，根據(jù)KVL定律得：

Vin=Vp

(11)

Vs=NVp

(12)

VD=Vs+Vo

(13)

由式(11)、(12)和(13)得：

VD=NVin+Vo

(14)

在理想情況下，耦合電感變換器的電壓增益與占空比和匝比之間的關(guān)系如圖8所示。當(dāng)N=0時(shí)，電壓增益即為傳統(tǒng)Boost變換器的電壓增益。從圖中可以看出，當(dāng)匝比N不變時(shí)，變換器的電壓增益是隨著占空比的增大而增大；當(dāng)占空比D不變時(shí)，變換器的電壓增益是隨著匝比的增大而增大。因此，只要匝比大于0，該變換器的電壓增益就高于傳統(tǒng)Boost變換器，而且在選擇了適當(dāng)?shù)恼伎毡认?，可以有效避免占空比工作在極限值下，大大減小了開關(guān)管的開關(guān)損耗，提高了變換器效率。

圖8 電壓增益與占空比和匝比的關(guān)系

(2)實(shí)際情況，考慮漏感存在

當(dāng)存在漏感時(shí)，在開關(guān)管關(guān)斷的瞬間，輸出二極管并沒有受正偏電壓而導(dǎo)通，此時(shí)是漏感所儲(chǔ)存的能量要向開關(guān)管的寄生電容進(jìn)行釋放，向寄生電容Cs進(jìn)行充電。對(duì)于一個(gè)開關(guān)周期來說，這一過程所經(jīng)歷的時(shí)間很短，在分析變換器的性能時(shí)是可以忽略的。在分析變換器的電壓增益和開關(guān)管的電壓應(yīng)力之前，需要說明一下，在該變換器中，激磁電感Lm兩端的電壓和漏感兩端的電壓之比等于其電感值之比，即

(15)

曾假設(shè)k=Lm/(Lm+Lk)，則有

(16)

當(dāng)開關(guān)S導(dǎo)通時(shí)，即模態(tài)Ⅰ，根據(jù)KVL定律：

(17)

化簡(jiǎn)得：

(18)

當(dāng)開關(guān)S關(guān)斷時(shí)，即模態(tài)Ⅲ，根據(jù)KVL定律

(19)

又Vs=NVm，化簡(jiǎn)得

(20)

一個(gè)開關(guān)周期T內(nèi)，根據(jù)伏秒平衡原則，有

(21)

即

(22)

由式(22)可得電壓增益M為

(23)

接下來分析開關(guān)管S和輸出二極管D的電壓應(yīng)力VT和VD。在S關(guān)斷時(shí)，根據(jù)KVL定律：

Vo-Vin=Vp+Vs+Vk

(24)

(25)

VT=Vin+Vp+Vk

(26)

由式(24)、(25)和(26)得

(27)

在S導(dǎo)通時(shí)，根據(jù)KVL定律得

Vin=Vp+Vk

(28)

(29)

VD=Vs+Vo

(30)

由式(28)、(29)和(30)得

VD=kNVin+Vo

(31)

圖9 電壓增益與占空比和匝比的關(guān)系

在實(shí)際情況下，當(dāng)有漏感存在時(shí)，耦合電感變換器的電壓增益與占空比和匝比間的關(guān)系如圖9所示。從圖中可以看出，當(dāng)匝比N不變時(shí)，變換器的升壓比是隨著占空比的增大而增大；當(dāng)占空比D不變時(shí)，變換器的升壓比是隨著匝比的增大而增大。漏感對(duì)變換器的電壓增益影響較小，且當(dāng)匝比N和占空比D均不變時(shí)，變換器的電壓增益隨著耦合電感漏感值的增大而降低。

2 仿真結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證所提變換器的工作原理和性能分析，基于PLECS軟件搭建模型進(jìn)行仿真分析。參數(shù)為：輸入電壓50V；理想變壓器的匝比N=2；激磁電感Lm為300uH；輸出電容C為470uF；負(fù)載電阻R為400Ω；考慮漏感時(shí)，漏感Lk為10uH。

圖10 輸出電壓波形

(1)不考慮漏感

輸出電壓波形如圖10所示，開關(guān)器件電壓應(yīng)力如圖11所示，輸入輸出電流波形如圖12所示。在進(jìn)行理論分析時(shí)，開關(guān)管的電壓應(yīng)力表達(dá)式為VT=Vo+NVin/1+N，將Vin=50V、Vo=380V、N=2代入得，VT=160V。易知上述仿真的結(jié)果為160.375V，誤差為ess1=(160.375-160)/160=0.2%，誤差小于1%，仿真結(jié)果與理論分析一致。輸出二極管的電壓應(yīng)力表達(dá)式為VD=NVin+Vo，將Vin=50V、Vo=380V、N=2代入得，VD=480V。仿真結(jié)果為479.159V，誤差為ess2=(480-479.159)/480=0.17%，誤差小于1%，仿真結(jié)果與理論分析一致。

圖13 輸出電壓波形

圖14 開關(guān)管及二極管電壓應(yīng)力

圖15 輸入電流及輸出電流

(2)考慮漏感

輸出電壓波形如圖13所示，開關(guān)器件電壓應(yīng)力如圖14所示，輸入輸出電流波形如圖15所示。

在考慮漏感時(shí)，激磁電感的Lm的值為300uH，漏感Lk的值為10uH。又k=Lm/(Lm+Lk)，則k=0.968。在進(jìn)行理論分析時(shí)，開關(guān)管的電壓應(yīng)力表達(dá)式為VT=(Vo+kNVin)/(11+kN)，得VT=162.4V。上述仿真的結(jié)果為161.192V，誤差為ess3=(162.4-161.192)/162.4=0.7%，誤差小于1%，仿真結(jié)果與理論分析一致。輸出二極管D的電壓應(yīng)力表達(dá)式為VD=kNVin+Vo，將Vin=50V、Vo=380V、N=2代入得，VD=476.8V。仿真結(jié)果為475.958V，誤差為ess4=(476.8-475.958)/476.8=0.18%，誤差小于1%，仿真結(jié)果與理論分析一致。

綜上所述，仿真結(jié)果與理論分析相一致。耦合電感型高增益直流變換器，相比于傳統(tǒng)升壓變換器(Boost變換器)，大大提高了電壓增益，同時(shí)，開關(guān)管的電壓應(yīng)力也大大降低。因此，極大地降低了開關(guān)管的開關(guān)損耗，提高了變換器效率。

3 結(jié) 論

在傳統(tǒng)Boost變換器的基礎(chǔ)上，研究了一種耦合電感型的高增益直流變換器。文章首先從考慮漏感和不考慮漏感兩個(gè)方面，著重分析了該變換器拓?fù)涞墓ぷ髟?，從分析的結(jié)果可以看出，該變換器相對(duì)于傳統(tǒng)變換器，不僅能夠通過改變占空比來調(diào)節(jié)電壓增益，最重要的是可以通過改變耦合電感匝比來調(diào)節(jié)電壓增益，這樣也有效避免了開關(guān)管工作在極限占空比的情況下。同時(shí)，通過理論分析可知，主開關(guān)管的電壓應(yīng)力也大大減小，從而減少了開關(guān)損耗，一定程度提高了變換器效率。然后，基于PLECS仿真平臺(tái)，搭建仿真模型進(jìn)行仿真，很好地驗(yàn)證了理論分析的正確性。