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，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。