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。

    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i_L1、i_L2分别为流经电感L₁和L₂的电流，V_C1、V_C2分别为加载在电容C₁和C₂两端的电压，V_D1、V_D2分别为加载在二极管D1和D2两端的电压。其中T_on、T_off分别为开关管S在一个时钟周期T内的导通与关断时间。

    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V_DC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：

    (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V_DC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。

    由回路1可得：

    由回路3可得：

2 性能分析

2.1 电压增益M

    对电感L₁运用伏秒平衡：

2.2 电压应力

    (1)开关管S电压应力V_vpS

    由图3(b)回路2可知：

    (2)二极管电压应力V_vpD

    由图3(a)回路1可知：

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。

    由表1中参数M_CCM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V_vpS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V_vpD1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。

    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V_gs及其漏极与源极两端的电压应力V_vpS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V_DC和输出电压V_O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V_D1、V_D2，即其电压应力V_vpD1、V_vpD2，其读数值均为40 V，与理论计算值相一致。

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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[3] WANG C M.A novel ZCS-PWM flyback converter with a simple ZCS PWM commutation cell[J].IEEE Trans.on Industry Electronics，2008，55(2)：749-757.

[4] FOREST F，MEYNARD T A，LABOURE E，et al.An isolated multicell intercell transformer converter for applications with a high step-up ratio[J].IEEE Trans. on Power Electronics，2013，28(3)：1107-1119.

[5] 吴刚，阮新波，叶志红.采用开关电容的非隔离型高升压比直流变换器[J].中国电机工程学报，2015，35(2)：442-450.

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[7] YANG L S，LIANG T J，CHEN J F.Transformerless DC-DC converters with high step-up voltage gain[J].IEEE Trans.on Industry Electronics，2009，56(8)：3144-3152.

[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）