一種基于CLD模塊的二次升壓直流變換器設計

引言

尋找電壓增益高、元器件電壓應力小的直流變換器已成為了現階段人們在該領域里研究的熱點。目前國內外眾多學者已提出了許多用于新能源發電系統中的高增益直流升壓變換器[1-11]。文獻[2]在交互Boost電路基礎上，利用開關電容的充放電達到了使其輸出電壓倍增的目的。文獻[4]提出了多輸入的并聯連接，然后再用Buck-Boost電路拓撲結構，以此實現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Boost電路的(1+D)/(1-D)倍、其開關管的電壓應力為傳統Boost電路的1/(1+D)倍。本文詳細推導了所提變換器的工作模態、工作原理、各種電壓性能指標，并在文中就其電壓增益與其他相似變換器進行了對比，最終通過實驗室搭建的實驗樣板，證明了理論分析的正確性。

1 變換器的拓撲結構

圖1所示為傳統的單開關二次升壓變換器[5]。由圖1可知，其開關管S的電壓應力VS-stress和二極管D3的電壓應力VD3-stress可表示為：

為減少開關管S和二極管D3上的電壓應力，并增加整個變換器的電壓增益，本設計在圖2中提出了CLD模塊。

圖2所示為傳統Boost電路與CLD模塊組和而成的新型變換器。

為了增加傳統的單開關二次升壓變換器的電壓增益并減少其開關管S兩端所承受的電壓應力，本文把CLD模塊加載到了傳統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

為了簡化理論分析，對本文所提基于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：(1)電感電流iL1、iL2、iL3連續，即變換器一直工作在電感電流連續模式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；(3)不考慮所有元器件的寄生參數的影響，即它們都是理想元器件。

由于電感電流工作在CCM模式，現分別對對應于開關管S導通與關斷時刻的工作模態1和工作模態2作如下分析。

2.1 工作模態1

此時開關管S、二極管D2導通，二極管D1、D3、D4關斷，其等效電路如圖4(a)所示。此時電路中有四個回路：回路1，電源VDC、電感L1、二極管D2、開關管S串聯形成回路，此時電源VDC給電感L1充電；回路2，電容C1、電感L2、開關管S串聯形成回路，此時電容C1給電感L2充電；回路3，開關管S、電容C3、電容C4、電感L3、電容C2串聯形成回路，此時電容C2、C3串聯給電感L3充電：回路4，電容C4與負載R組成回路，負載R由電容C4供電。

在整個工作模態1中，電感電流iL1、iL2、iL3呈線性增長，且其值對時間的導數分別為：

2.2 工作模態2

此時開關管S、二極管D2關斷，二極管D1、D3、D4導通，其等效電路如圖4(b)所示。此時電路中電感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。

在整個工作模態2中，電感電流iL1、iL2、iL3呈線性衰減，且其值對時間的導數分別為：

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。

根據圖4(a)和圖4(b)可知，對其中電感L1、L2、L3運用伏秒平衡可得：

其中D為開關管S的占空比，MCCM為變換器在電感電流連續模式下的電壓增益。

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可知傳統二次升壓變換器[5]在電感電流連續模式下的電壓增益為：

由文獻[9]可知變換器工作在電感電流連續模式和工作在電感電流斷續模式下時的電感L3的臨界值為：

其中T為變換器中開關管S的時鐘周期，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)所計算出來的值。

變換器拓撲結構圖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，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 開關管電壓應力的比較

由式(8)、式(9)、式(10)可知電容C1、C2的電壓值VC1、VC2為：

4 實驗研究

為了驗證本文所提基于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，現在實驗室制作了一臺工作在CCM模式下的實驗樣機。實驗用元器件參數及實驗參數如表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驗室所做的試驗樣機在占空比D=0.5時的部分波形。圖7(a)所示為試驗樣機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，與理論計算值相符；圖7(b)所示為試驗樣機中開關管S與二極管D3兩端所承受的電壓應力，可讀出開關管S的電壓應力VS-stress為40 V，二極管D3的電壓應力VD3-stress為40 V，與理論計算值相符；圖7(c)所示為試驗樣機中二極管D1、D2兩端所承受的電壓應力，可讀出其電壓應力均為20 V，與理論計算值相符。

5 結論

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模式下對其開關管導通與關斷狀態作了詳盡地理論分析，推導了其電壓增益公式及其中各種元器件的電壓應力。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、元器件電壓應力小等特點。最終通過在實驗室所搭建的實驗樣板，實驗論證了上述理論分析的正確性。