具有低电压应力的单开关、高升压比DC-DC变换器_赵修旻.pdf

第 46 卷 第 1 期2023 年 2 月电 子 器 件Chinese Journal of Electron DevicesVol.46No.1Feb 2023收稿日期:20210803修改日期:20220110Single-Switch，High-Boost-atio DCDC Converter with Low Voltage StressZHAO Xiumin*，YU Jiangtao，JIANG Jingjing，LI Nan(State Grid Shanghai Information Communication Company，Shanghai 200072，China)Abstract:A single switch，high voltage boost，non isolated DCDC converter for renewable energy applications is introduced The proposedconverter consists of a coupling inductor，a passive clamp circuit，a switched capacitor and a boost circuit The passive clamp circuit canrecover the leakage energy of the coupling inductor and limit the voltage spike on the switch In addition，the effective integration of pas-sive clamp and switched capacitor circuit increases the voltage gain In short，wide CCM operating range，low turn ratio of coupling induc-tor，low voltage stress on switch，near zero current switch(ZCS)，low voltage stress on diode，energy recovery of leakage inductor，and highvoltage gain at low duty cycle are the advantages of the converter The steady-state operation of the converter in CCM and DCM is dis-cussed and analyzed Finally，a 200 W prototype is built to verify the correctness and feasibility of the theoretical analysisKey words:coupling inductor;high voltage gain;single switch;switching capacitorEEACC:8360doi:103969/jissn10059490202301022具有低电压应力的单开关、高升压比 DCDC 变换器赵修旻*，余江涛，蒋婧婧，李楠(国网上海市电力公司信息通信公司，上海 200072)摘要:提出一种适用于可再生能源应用场景的单开关、高升压、非隔离式 DCDC 变换器。所提变换器由耦合电感、无源钳位电路、开关电容和升压电路组成。无源钳位电路可回收耦合电感的漏感能量，并限制开关管上的电压尖峰。此外，无源钳位和开关电容电路的有效整合增加了电压增益。简言之，宽连续导通模式(CCM)工作范围、耦合电感的低匝数比、开关上的低电压应力、近似零电流开关(ZCS)、二极管上的低电压应力、漏电感能量回收、和低占空比下的高电压增益是该变换器的优点。讨论和分析了变换器在连续导通模式(CCM)和非连续导通模式(DCM)下的稳态运行。最后，搭建了 200 W 的实验样机来验证所提变换器理论分析的正确性和可行性。关键词:耦合电感;高电压增益;单开关;开关电容中图分类号:TM464文献标识码:A文章编号:10059490(2023)01012607环境污染和化石燃料的枯竭促使研究人员致力于研究可再生能源，尤其是太阳能。太阳能电池板的输出电压通常小于 50 V。但是为了满足馈网要求，全桥逆变器的直流母线电平必须升至 380 V 400 V，半桥逆变器须升至 750 V800 V1。采用光伏(Photovoltaic，PV)板串联可解决上述问题。然而，由于阴影和面板失配，无法实现最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)，降低系统传递效率23。为满足较高的电压母线要求，文献 4 提出一簇带有耦合电感的升压变换器，因具备高电压增益，低工作占空比和开关电压应力低而得到推广。但漏电感中储存的能量会导致开关两端出现电压尖峰。此外，开关电容为另一类提升电压的有效方案，但是仅限低功率应用，因为其在启动瞬间有较大的涌入电流。鉴于此，文献 5 通过将耦合电感与开关电容相整合，减少了耦合电感的绕组数，增加了电压增益和磁芯利用率。文献 6 提出了一种具有低输入纹波电流的高电压增益变换器，并适用于高功率应用;该转换器使用两个耦合电感器、交错开关、电压倍增单元和输出叠加。与文献 6 相比，文献 78 具有更小的输入电流纹波和相同的电压增益;并且它仅使用2 个电感和 1 个耦合电感。但是上述变换器均未考虑漏感能量问题，导致传递效率很难进一步优化。为此，文献 910 利用无源钳位电容回收漏感能量;并与耦合电感的次级串联为升压电容充电。另外，文献 1112 提出一种 Z源变换器，通过使用两个耦合电感和一个开关电容单元;此外，开关两端的电压尖峰得到有效钳位。然而，输入端的二极管和高电流导致损耗加大，效率骤减。鉴于此，文献 1314 提出了一种基于有源网络、三绕组耦合电感器和开关电容单元的高压升压变换器。有源网络降低了有源开关上的电压和电流应力并增加了电压增益15。但是，此类变换器结构较为复杂。第 1 期赵修旻，余江涛等:具有低电压应力的单开关、高升压比 DCDC 变换器为解决上述方案存在的不足，本文提出了一种基于耦合电感和无源钳位电路相整合的高增益变换器。该转换器利用开关电容和电压举升来进一步提升了电压增益。该变换器具有低占空比、高增益、高转换效率、宽 CCM 运行、低电压应力、近似 ZCS 的开关状态和漏感能量回收等特点。1所提 DCDC 变换器拓扑结构图 1 给出了所提 DCDC 变换器的电路拓扑结构。图中给出了耦合电感的等效电路，包括理想变压器 T1、励磁电感 Lm和漏电感 Lk。N1和 N2分别是理想变压器的一次侧绕组匝数和二次侧绕组匝数。C1是箝位电容，C3、C4和 C5是开关电容，C2是自举电容，Co是输出滤波电容。D1是箝位二极管，Do是输出二极管，D2、D3、D4、D5是阻塞二极管。耦合系数用 k=Lm/(Lm+Lk)表示，n=N2/N1是理想的变压器匝数比。图中箭头所指方向为流过该元件电流的参考方向。图 1所提 DCDC 变换器拓扑结构2工作模态分析所提 DCDC 变换器可以分别在连续导通模式(Continuous Conduction Mode，CCM)、断续导通模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)和临界导通模式(Boundary Conduction Mode，BCM)下运行，为了便于对所提变换器进行分析，做出以下假设:所有元件均为理想器件;开关频率远大于电网频率，因此在每一个开关周期 Ts内电容两端电压恒定。21连续导通模式运行所提变换器在 CCM 模式下每个开关周期 Ts内有五种工作模态。图 2 给出了所提变换器在 CCM模式下的理论关键波形，图 3 给出了每个模态对应的电流路径图。模态一 t0t1:该模态的电流路径如图 3(a)所示。在 t0之前，开关管 S 断开，二极管 D3、D4和 Do导通。在 t0时刻，开关 S 导通。耦合电感的一次侧图 2CCM 模式下所提变换器关键波形电流 iLk线性增加，直到在 t1时刻达到励磁电感电流iLm。在这段时间内，iLm和 iLk之间的差值(iLmiLk)流过理想变压器 T1的一次侧。T1的二次侧电流等于n(iLmiLk)，将线性减小，直到在 t1时刻达到零。流过 D3、D4、Do的电流也呈线性下降，在 t1时为零。因此，这些二极管的反向恢复问题得到缓解。此外，S 可以实现零电流开通(Zero Current Switching，ZCS)。模态二 t1t2:该模态的电流路径如图 3(b)所示。在 t1时刻，iLk等于 iLm。因此，励磁电感 Lm开始从 Vin吸收能量，T1一次侧和二次侧绕组的电流与电压方向相反。二极管 D2、D5导通。在此模态中，升压电容 C2经由箝位电容 C1、开关电容 C3和T1的二次侧绕组充电。此外，开关电容 C5经由开关电容 C4和 T1的二次侧绕组充电。模态三 t2t3:该模态的电流路径如图 3(c)所示。在 t2时刻，开关管 S 关闭。二极管 D1传导漏感 Lk中的能量并将其传递给箝位电容 C1。因此，开关管两端的电压被钳位到 VC1。此外，在下一模态中，该电容器将吸收一部分励磁电感能量，用于对电容 C2充电。在该模态下，iLk大于 iLm，T1一次侧流经电流的为 iLkiLm。Lm仍然吸收能量，T1的电压极性保持不变。因此，Lk两端电压为 C1、T1一次侧电压和输入电压串联之和，可迫使 iLk在 t3时刻迅速减小到 iLm。T1二次侧和二极管 D2、D5的电流下降，并在 t3时刻达到零。模态四 t3t4:该模态的电流路径如图 3(d)所示。在此模态下，漏感电流 iLk小于励磁电感电流iLm，因此，T1一次侧和二次侧的电流方向和电压极性反向。二极管 D3、D4导通，其电流上升。由于 T1721电子器件第 46 卷电压极性反向，D1仍然导通，其电流的下降率小于上一模态，在 t4时刻，iLk达到 iDo，二极管 D1关断。模态五 t4t5:该模态的电流路径如图 3(e)所示。在这段时间内，励磁电感 Lm、漏感 Lk和输入电源 Vin的能量连同 C2和 C5一起被传递到负载。此外，对开关电容 C3和 C4进行充电，C2和 C5放电。在 t5时刻，开关管 S 导通，该模态结束，并且下一个开关周期开始。图 3CCM 模式下所提变换器的工作模态图 4DCM 模式下所提变换器关键波形22断续导通模式运行由于漏电感很小，与励磁电感 Lm上的电压相比，其电压降可以忽略不计。因此，DCM 运行时的模态分析中漏感被忽略。图 4 给出了 DCM 中三种主要工作模态的理论关键波形，图 5 给出了这些模态的电流路径。模态一 t0t1:该模态的电流路径如图 4(a)所示。在 t0时刻，开关管 S 导通。励磁电感 Lm从输入电源吸收能量，其电流从零开始线性增加。同时，耦合电感电流方向为参考正方向，并且将部分输入的能量传递到电容 C2和 C5。在 t1时刻，该模态结束，开关管 S 关断。模态二 t1t2:该模态的电流路径如图 4(b)所示。在此模态下，开关管 S 关断。Lm的能量被传递到电容 C1、C3、C4、Co和负载。电容 C2和 C5与电源和 Lm串联，并将其能量传递给电容 Co和负载。该模态在 t2时刻结束，同时，Lm开始放电。模态三 t2t3:该模态的电流路径如图 4(c)所示。在此模态下，开关管 S 保持关断，流过 Lm电流为零。因此，负载 由 Co提供能量。821第 1 期赵修旻，余江涛等:具有低电压应力的单开关、高升压比 DCDC 变换器图 5DCM 模式下所提变换器的工作模态3所提变换器的稳态分析31CCM 运行模态一和模态三持续时间非常短，在计算变换器的电压增益时可以忽略不计。在模态三和四中，漏电感 Lk