《电子技术应用》
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基于DCM的级联型直流升压变换器
2018年电子技术应用第11期
魏 振,江智军,杨晓辉
南昌大学 信息工程学院,江西 南昌330031
摘要: 为满足新能源发电系统中对高增益直流升压变换器的要求及其迎合电动汽车中需要多级高压直流供电的运用场合,提出了一种基于DCM模块的高增益直流升压变换器。分析了该高增益升压变换器的工作原理及其性能特点,并就其主要性能与现阶段的一些其他高增益直流变换器进行了对比研究。最终通过实验室一台额定功率为170 W的实验样机证实了该变换器的有效性。
中图分类号: TM72
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.181211
中文引用格式: 魏振,江智军,杨晓辉. 基于DCM的级联型直流升压变换器[J].电子技术应用,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

    由于单块光伏板输出的电压一般为33~43 V,难以满足逆变并网系统对高压直流电的要求[1];常见的传统Boost升压变换器又不适用于电压增益超过6的场合[2-3];隔离型直流升压变换器体积较大、其对电能的能量转换效率亦不可能较高[4-5],因此现阶段常用于光伏发电系统中的直流升压变换器多是非隔离型的[7-8]

    本文针对光伏发电系统中对直流升压变换器的要求,提出了一种基于DCM模块的高增益非隔离型直流升压变换器。首先分析了该高增益直流升压变换器的工作原理及其性能特点,并就其主要性能与现阶段的一些其他高增益直流变换器进行了对比研究。最终通过实验室一台额定功率为170 W的实验样机证实了该变换器的有效性。

1 工作原理

    本文提出的基于DCM(Diode-Capacitor Module)的级联型直流升压变换器如图1所示。为了简化后续分析,现对拓扑结构中的元器件作如下假设:(1)忽略结构中所有元器件的寄生参数;(2)结构中所有电感工作在连续传导模式(Continuous Conduction Model,CCM);(3)结构中所有电容两端的电压恒定。

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    所提变换器拓扑结构中部分元器件的波形如图2所示。其中iL1、iL2分别为流经电感L1和L2的电流,VC1、VC2分别为加载在电容C1和C2两端的电压,VD1、VD2分别为加载在二极管D1和D2两端的电压。其中Ton、Toff分别为开关管S在一个时钟周期T内的导通与关断时间。

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    由于所提变换器工作在CCM模式下,因此其有两种工作状态:开关管S导通与断开。

    (1)开关管S导通

    当开关管S闭合导通时,其等效电路如图3(a)所示。其中二极管D1、D3、D5关断,二极管D2、D4导通。此时变换器中有4个回路。回路1:电源VDC通过二极管D2和开关管S给电感L1充电;回路2:电容C1通过开关管S给电感L1充电;回路3:电容C3通过二极管D4与开关管S给电容C2供电;回路4:电容C3和电容C4串联给负载R供电。

    由回路1可得:

     dy5-gs1-4.gif

    (2)开关管S断开

    当开关管S断开时,其等效电路如图3(b)所示。其中二极管D1、D3、D5导通,二极管D2、D4断开。此时变换器中有4个回路。回路1:电源VDC和电感L1串联,通过二极管D1给电容C1充电;回路2:电容C1和电感L2串联,通过二极管D3给电容C3充电;回路3:电容C2通过二极管D3和D5给电容C4充电;回路4:电容C3和电容C4串联给负载R供电。

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    由回路1可得:

     dy5-gs5-6.gif

    由回路3可得:

    dy5-gs7.gif

2 性能分析

2.1 电压增益M

    对电感L1运用伏秒平衡:

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2.2 电压应力

    (1)开关管S电压应力VvpS

    由图3(b)回路2可知:

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    (2)二极管电压应力VvpD

    由图3(a)回路1可知:

     dy5-gs15-24.gif

3 变换器的性能对比

    表1列出了本文所提变换器与文献[7]、文献[8]和传统Boost电路在连续传导模式下的性能比较。

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    由表1中参数MCCM可知,本文所提变换器具有较高的电压增益,能够很好地满足新能源发电系统中对高增益直流升压变换器的要求。由表1中参数VvpS可知,本文所提变换器中的开关管具有较低的开关管电压应力,能很好地降低能量在开关管上的损耗,在实际元器件选型时,低耐压开关管就能满足变换器需求,能很好地降低元器件成本。由表1中参数VvpD1可知,本文所提变换器中的二极管具有较低的电压应力,该变换器在实际工作中能有效降低能量在二极管上的损耗,能有效提高变换器整体的能量转换效率。

4 实验研究

    为了验证对本文所提变换器所做分析的正确性,在实验室根据拓扑结构图1制作了一台额定功率为170 W的实验样机。实验用参数如表2所示。

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    图4所示为试验过程中加载于开关管S栅极与源极之间的驱动信号Vgs及其漏极与源极两端的电压应力VvpS的曲线,由此可知开关管S控制信号的占空比D=0.5,其电压应力读数为80 V,与理论计算值相符。图5所示为实验样机的输入电压VDC和输出电压VO的实验波形,其读数值分别为20 V和160 V,其与理论计算值相符。图6所示为实验样机中二极管D1和D2两端的电压值VD1、VD2,即其电压应力VvpD1、VvpD2,其读数值均为40 V,与理论计算值相一致。

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5 结论

    为了满足新能源发电系统中对高增益直流升压变换器的要求及迎合电动汽车中需要多级供电的运用场合,本文提出了一种基于DCM模块的高增益直流升压变换器。首先分析了该变换器的工作原理及其性能特点,并就其主要性能参数和现阶段的一些其他高增益直流变换器进行了对比认识。最终通过实验室一台170 W的实验样机证实了该变换器的有效性。实验结果表明该变换器具有电压增益高、开关管和其二极管电压应力较低等特点。其能很好地满足新能源领域中对高增益直流升压变换器的要求。

参考文献

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[8] 陈庚,董秀成,李浩然,等.非隔离新型高增益DC-DC升压变换器[J].电源学报,2017,15(5):46-51.



作者信息:

魏  振,江智军,杨晓辉

(南昌大学 信息工程学院,江西 南昌330031)