文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.173397
中文引用格式: 趙新寬,,陳燕東,,張鎮(zhèn)強(qiáng),等. 基于CLD模塊的高增益二次升壓直流變換器[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2018,44(5):155-158.
英文引用格式: Zhao Xinkuan,,Chen Yandong,,Zhang Zhenqiang,et al. High-gain quadratic boost DC converter based on cld module[J]. Application of Electronic Technique,,2018,,44(5):155-158.
0 引言
尋找電壓增益高、元器件電壓應(yīng)力小的直流變換器已成為了現(xiàn)階段人們?cè)谠擃I(lǐng)域里研究的熱點(diǎn),。目前國內(nèi)外眾多學(xué)者已提出了許多用于新能源發(fā)電系統(tǒng)中的高增益直流升壓變換器[1-11],。文獻(xiàn)[2]在交互Boost電路基礎(chǔ)上,,利用開關(guān)電容的充放電達(dá)到了使其輸出電壓倍增的目的。文獻(xiàn)[4]提出了多輸入的并聯(lián)連接,,然后再用Buck-Boost電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),,以此實(shí)現(xiàn)了多輸入升壓的目的。
本文提出了一種基于CLD模塊的二次升壓直流變換器,,其電壓增益為傳統(tǒng)Boost電路的(1+D)/(1-D)倍,、其開關(guān)管的電壓應(yīng)力為傳統(tǒng)Boost電路的1/(1+D)倍。本文詳細(xì)推導(dǎo)了所提變換器的工作模態(tài),、工作原理,、各種電壓性能指標(biāo),并在文中就其電壓增益與其他相似變換器進(jìn)行了對(duì)比,,最終通過實(shí)驗(yàn)室搭建的實(shí)驗(yàn)樣板,,證明了理論分析的正確性。
1 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖1所示為傳統(tǒng)的單開關(guān)二次升壓變換器[5],。由圖1可知,,其開關(guān)管S的電壓應(yīng)力VS-stress和二極管D3的電壓應(yīng)力VD3-stress可表示為:
為減少開關(guān)管S和二極管D3上的電壓應(yīng)力,并增加整個(gè)變換器的電壓增益,,本設(shè)計(jì)在圖2中提出了CLD模塊,。
圖2所示為傳統(tǒng)Boost電路與CLD模塊組和而成的新型變換器。
為了增加傳統(tǒng)的單開關(guān)二次升壓變換器的電壓增益并減少其開關(guān)管S兩端所承受的電壓應(yīng)力,,本文把CLD模塊加載到了傳統(tǒng)二次升壓變換器上去,,并重新提出了一種新型的變換器,如圖3所示,。
2 變換器的工作原理
為了簡(jiǎn)化理論分析,,對(duì)本文所提基于CLD模塊的高增益二次升壓直流變換器的所有元器件作如下假設(shè):(1)電感電流iL1、iL2,、iL3連續(xù),,即變換器一直工作在電感電流連續(xù)模式CCM(Continuous Conduction Model);(2)電容C1,、C2,、C3、C4容值足夠大,,其上電壓的紋波可以忽略不計(jì),;(3)不考慮所有元器件的寄生參數(shù)的影響,即它們都是理想元器件,。
由于電感電流工作在CCM模式,,現(xiàn)分別對(duì)對(duì)應(yīng)于開關(guān)管S導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)刻的工作模態(tài)1和工作模態(tài)2作如下分析。
2.1 工作模態(tài)1
此時(shí)開關(guān)管S,、二極管D2導(dǎo)通,,二極管D1,、D3、D4關(guān)斷,,其等效電路如圖4(a)所示,。此時(shí)電路中有四個(gè)回路:回路1,電源VDC,、電感L1,、二極管D2、開關(guān)管S串聯(lián)形成回路,,此時(shí)電源VDC給電感L1充電,;回路2,電容C1,、電感L2,、開關(guān)管S串聯(lián)形成回路,此時(shí)電容C1給電感L2充電,;回路3,,開關(guān)管S、電容C3,、電容C4、電感L3,、電容C2串聯(lián)形成回路,,此時(shí)電容C2、C3串聯(lián)給電感L3充電:回路4,,電容C4與負(fù)載R組成回路,,負(fù)載R由電容C4供電。
在整個(gè)工作模態(tài)1中,,電感電流iL1,、iL2、iL3呈線性增長(zhǎng),,且其值對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)分別為:
2.2 工作模態(tài)2
此時(shí)開關(guān)管S,、二極管D2關(guān)斷,二極管D1,、D3,、D4導(dǎo)通,其等效電路如圖4(b)所示,。此時(shí)電路中電感L1給電容C1充電,,電感L2給電容C2、C3充電,,電感L3給電容C4充電,。
在整個(gè)工作模態(tài)2中,,電感電流iL1、iL2,、iL3呈線性衰減,,且其值對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)分別為:
2.3 主要波形及其電壓增益
圖5所示為本文所提變換器一些主要參數(shù)的波形。其中VC1為電容C1兩端的電壓波形,,iL1為流過電感L1的電流波形,,VC2為電容C2兩端的電壓波形,iL2為流過電感L2的電流波形,,VD2為二極管D2兩端的電壓波形,,iL3為流過電感L3的電流波形。
根據(jù)圖4(a)和圖4(b)可知,,對(duì)其中電感L1,、L2、L3運(yùn)用伏秒平衡可得:
其中D為開關(guān)管S的占空比,,MCCM為變換器在電感電流連續(xù)模式下的電壓增益,。
3 與其他高增益直流升壓變換器的比較
3.1 電壓增益的比較
由圖1可知傳統(tǒng)二次升壓變換器[5]在電感電流連續(xù)模式下的電壓增益為:
由文獻(xiàn)[9]可知變換器工作在電感電流連續(xù)模式和工作在電感電流斷續(xù)模式下時(shí)的電感L3的臨界值為:
其中T為變換器中開關(guān)管S的時(shí)鐘周期,因此為保證變換器一直工作在CCM模式下,,其電感L3的值必須大于由式(13)所計(jì)算出來的值,。
變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2、圖3,、圖1在CCM模式下的電壓增益如圖6所示,。
由圖6可知本文所提變換器在同一占空比時(shí),相較于其他三種高增益直流升壓變換器具有最高的電壓增益,。
3.2 開關(guān)管電壓應(yīng)力的比較
由式(8),、式(9)、式(10)可知電容C1,、C2的電壓值VC1,、VC2為:
4 實(shí)驗(yàn)研究
為了驗(yàn)證本文所提基于CLD模塊的高增益二次升壓直流變換器的理論分析的正確性,現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室制作了一臺(tái)工作在CCM模式下的實(shí)驗(yàn)樣機(jī),。實(shí)驗(yàn)用元器件參數(shù)及實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示,。
圖7(a)、(b),、(c)為依照本文所提基于CLD模塊的高增益二次升壓直流變換器在實(shí)驗(yàn)室所做的試驗(yàn)樣機(jī)在占空比D=0.5時(shí)的部分波形,。圖7(a)所示為試驗(yàn)樣機(jī)的輸入輸出電壓波形,可讀出輸入電壓VDC為10 V,,輸出電壓Vo為60 V,,與理論計(jì)算值相符;圖7(b)所示為試驗(yàn)樣機(jī)中開關(guān)管S與二極管D3兩端所承受的電壓應(yīng)力,,可讀出開關(guān)管S的電壓應(yīng)力VS-stress為40 V,,二極管D3的電壓應(yīng)力VD3-stress為40 V,,與理論計(jì)算值相符;圖7(c)所示為試驗(yàn)樣機(jī)中二極管D1,、D2兩端所承受的電壓應(yīng)力,,可讀出其電壓應(yīng)力均為20 V,與理論計(jì)算值相符,。
5 結(jié)論
本文提出了一種基于CLD模塊的高增益二次升壓直流變換器,,并在CCM模式下對(duì)其開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)作了詳盡地理論分析,推導(dǎo)了其電壓增益公式及其中各種元器件的電壓應(yīng)力,。并在同等條件下就其相似變換器作了電壓增益和各種元器件電壓應(yīng)力的比較,,論證了本文所提變換器具有電壓增益高、元器件電壓應(yīng)力小等特點(diǎn),。最終通過在實(shí)驗(yàn)室所搭建的實(shí)驗(yàn)樣板,,實(shí)驗(yàn)論證了上述理論分析的正確性。
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作者信息:
趙新寬1,,陳燕東2,張鎮(zhèn)強(qiáng)3,,姜洪朝4
(1.珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能電網(wǎng)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,,廣東 珠海519090;
2.湖南大學(xué) 國家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心,,湖南 長(zhǎng)沙410082,;
3.珠海麥尼電控技術(shù)有限公司,廣東 珠海519000,;4.中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所,,北京102209)