《电子技术应用》

新型双输入Sepic直流变换器

2018年电子技术应用第9期
兰志勇,陈礼俊,焦 石,李 理,王 波,徐 琛
(湘潭大学 信息工程学院,湖南 湘潭411105)
摘要: 在多输入的分布式能源供电系统中,采用多输入直流变换器替代多个单输入直流变换器,不仅能够简化电路结构、降低系统成本,同时可提高分布式发电系统供电的可靠性。提出一种新型双输入Sepic直流变换器,该变换器具备结构简单、电压增益高、开关器件电压应力低,既可单独向负载供电,又可同时向负载供电等优点。分析双输入Sepic变换器的工作原理,给出变换器的输入/输出稳态关系式,最后通过MATLAB仿真验证了电路拓扑和理论分析的正确性。
中图分类号: TM4
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.174011
中文引用格式: 兰志勇,陈礼俊,焦石,等. 新型双输入Sepic直流变换器[J].电子技术应用,2018,44(9):154-157,166.
英文引用格式: Lan Zhiyong,Chen Lijun,Jiao Shi,et al. New double input Sepic DC/DC converters[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(9):154-157,166.

New double input Sepic DC/DC converters

Lan Zhiyong,Chen Lijun,Jiao Shi,Li Li,Wang Bo,Xu Chen
(Information Engineering College,Xiangtan University,Xiangtan 411105,China)
Abstract: In the distributed power system with more sources, the application of multiple-input converter instead of using several single-input converters can simplify the circuit , decrease the cost of the power system, but also improve the reliability of the power system. A new double-input Sepic DC/DC converter is proposed in this paper. The proposed topology has the following advantages: the circuit is simple,the voltage gain is high, the voltage stress of the switches is low and the sources can deliver power to the load individually or simultaneously. The operation modes and the steady-state analysis are presented. Finally, the MATLAB simulation and experiments on an output power 200 W prototype verify the correctness of the theoretical analysis.

0 引言

    能源是整个人类社会发展与进步的物质基础和动力来源。随着人类社会的飞速发展,煤炭、石油等不可再生能源的消耗量日益增加,能源衰竭、环境污染等问题已经严重影响了社会的可持续发展[1-3]。近十年来新能源作为解决能源危机,实现人类社会可持续健康发展的清洁能源,逐渐成为各国科学家研究的热点。但由于新能源分布范围广,且易受到地理环境和天气的影响,存在着不稳定、不连续等缺点,因此将多种分布式能源采用多输入直流变换器将其联合,组成联合供电系统,不仅可简化电路结构、避免独立供电不稳定和不连续的缺点,同时也可提高分布式发电系统供电的可靠性[4-7]

    近年来国内外学者对多输入直流变换器进行了深入的研究,并相继提出了多种多输入拓扑,尤以双输入拓扑研究最为全面。如:文献[3]、[5]各自提出了一种双输入Buck变换器,由文献[2]对其总结可知,所提变换器虽具有结构简单、开关电压应力低,且可实现多种能源输入等优点,但是由于其拓扑的局限性即此拓扑仅是降压变换器,电压增益低,不能满足并网逆变器的需要。为此文献[2]、[7]分别提出来一种新型双输入升压拓扑,所提拓扑虽弥补了文献[3]、[5]中拓扑电压增益低的缺陷,但依然具有局限性即仅是升压变换器,即不能满足同时需要升降压的应用场合。为实现双输入升降压,文献[8]提出了一种双输入Buck-boost变换器,该拓扑虽能实现电压升降输出且电压增益高,但输出电压为负极性的,因而不满足分布式发电系统并网的要求。文献[9]也提出了一种耦合电感双输入升降压变换器,所提变换器虽能实现分布式发电系统并网,但拓扑结构与控制策略复杂,实现难度大。

    为弥补上述变换器的不足,本文提出一种新型双输入Sepic变换器,该变换器具有结构简单、升降压输入/输出电压同极性、开关电压应力低,而且可允许多种形式的能源输入等优点。

1 拓扑结构及工作原理

    新型双输入Sepic变换器如图1所示,由4个升压电感L1、L2、L3、L4,2个开关管Q1、Q2,2个续流二极管D1、D2,4个升压电容C1、C2、C3、C4及负载R构成。根据输入源的数量,有单输入和双输入两种工作状态。下面详细分析两种输入状态下电路的工作原理。

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1.1 单输入状态的工作原理

    当直流电源U1、U2分别单输入时其工作原理与传统单输入Sepic变换器的工作原理类似,以U1单输入时为例分析其稳态情况下的工作原理。为方便分析,假设变换器各元器件均为理想器件,且电路工作在CCM模式。图2为其拓扑开关模态的等效电路。

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    在单电源U1输入时,1个开关周期Ts内,拓扑有2种工作模态:模态1:Q1、Q2关断,U1—L1—C1—D1—负载—D2—L4回路、L3—D1—C3回路、L4—D2—C4回路同时导通,此时电源U1与电感L1向电容C1、C3与负载供电。模态2:Q1导通D2关断,U1—L1—Q1回路、C1—Q1—L3回路、C3—负载—D2—L4回路、L4—D2—C4回路同时导通,此时电容C3、C4向负载供电,电感L1、L3电流增大电感储能。由上分析可知,电感L4在整个开关周期内并未受到电源激励,它只是作为回路通道,同时由于二极管D2具有0.7 V的导通压降,因此稳态后Uo2=-0.7 V。 

    对电感L1、L2应用伏秒平衡原理可得:

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其中,D1为开关管Q1开通占空比,Uo2、Uo1分别为电容C3、C4两端电压,由此可知拓扑工作在单输入状态时,电压增益与传统Sepic变换器相同。

1.2 双输入状态的工作原理

    当有2个输入源时即工作在双输入状态时,为方便本文分析,假设变换器各元器件均为理想器件,且电路工作在CCM模式。双输入时电路拓扑存在4种开关模式,即在Q1、Q2开关周期与占空比相同或不同的情况下,变换器可能4种工作模式同时存在,也可能部分存在。设在不同开关周期内变换器出现4种工作模式,图3为电路工作模式。

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    工作模式I:设工作时间在[t0,t1],图3模态1为其等效电路图。Q1、Q2同时开通,电源U1与U2分别对升压电感L1、L2充电,L1、L2电流线性增加,电容C1、C2分别向电感L3、L4充电,L1、L2电流线性增加,串联电容C3、C4向负载供电。此时有:

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    工作模式IV:设工作时间在[t3,t4],图3模态4为其等效电路图。Q1、Q2同时关断,电源U1与电感L1向电容C1充电,电源U2与L2向电容C2充电,电感L3、L4分别向电容C3、C4充电,C3、C4共同向负载供电。此时有:

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    综上分析可得,所提拓扑在双电源输入时,U1、U2工作电路具有独立性,在Q1、Q2开关周期与占空比相同或不同时,其变换器的运行状态是1~4种模式中任意几种模式有规律的组合,且不管工作在何种模态下,输出电压Uout恒为Uo1+Uo2。当U1、U2两个输入源同时向负载R供电时,拓扑的输出电压是2个传统Sepic变换器输出电压的串联。当Q1、Q2开通时刻一样而开关周期与导通时间相同或不同时,电路中会出现多种工作模态,详见表1。

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    根据文献[2]阐述可知,为减小电路中电磁干扰,Q1、Q2开关管应工作在相同开关频率下,此时它们可工作在交错控制状态或同时开通状态。当在同时开通状态时由表1可知工作模式只有I、IV。当工作在交错控制状态时:本文以变换器工作状态依次是I、II、I、III为例加以分析,图4为工作在交错控制状态时电路主要工作波形图。

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2 输入/输出的数量关系

    对L1、L2、L3、L4应用电感的伏秒平衡原理,可得下式:

    dy4-gs18-19.gif

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    与文献[1]~[5]对比发现,本文所提的拓扑结构不仅继承了上述文献所具有的优点,即提高了系统的稳定性和灵活性,实现了能源的综合利用,同时可弥补文献[1]~[5]只能升压或降压的不足,且进一步提高了电压增益。综合上述分析,本拓扑不仅可工作在单输入,亦可工作在双输入状态,且都具有良好的性能,可根据不同场合结合使用。

3 仿真实验验证

    为验证所提拓扑理论分析的正确性,在实验室利用MATLAB对交错控制状态进行仿真实验。实验数据如下:U1=50 V,U2=60 V;L1=L2=L3=L4=2 mH;C1=C2=10 μF,C3=C4=100 μF;负载R=300 Ω;f2=f1=10 kHz且Q2延迟5 μs导通;D2=D1=0.6。

    在MATLAB/Simulink中建立双输入Sepic变换器开环控制仿真电路模型,仿真波形如图5所示,图5(a)为Q1、Q2开关波形;图5(b)为电感L1、L2电流波形图;图5(c)、图5(d)分别为电路稳定后电感L3、L4两端电压波形;图5(e)为电压Uo1、Uo2、Uout输出波形。

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4 结论

    本文提出了一种新型双输入Sepic变换器拓扑结构,该变换器具有结构简单、电压增益高、开关器件电压应力低等优点,且变换器可工作在单电源和双电源输入两种不同状态。基于对工作原理的分析,推导出拓扑的输入/输出关系,并通过MATLAB仿真验证了理论分析的正确性。同时由于所提拓扑具有升降压、输入/输出同级性的特点,因而可用于分布式风光互补发电系统中,避免独立光伏或风力发电供电不足的缺点。

参考文献

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[3] 李艳,阮新波,杨东升.一种新的双输入直流变换器[J].电工技术学报,2008,23(6):121-125.

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[7] 陈剑飞,侯世英,孙韬,等.基于开关电容网络组的双输入升压变换器[J].电工技术学报,2015,30(15):118-126.

[8] 廖志凌,徐艳杰,施卫东.风光互补双输入Buck-Boost直流变换器的研究[J].电测与仪表,2014(2):63-66.

[9] 张君君,孙凯,吴红飞,等.一种耦合电感双输入升降压变换器[J].电工技术学报,2015,30(1):143-149.



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兰志勇,陈礼俊,焦  石,李  理,王  波,徐  琛

(湘潭大学 信息工程学院,湖南 湘潭411105)

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