【正文】 2 基于邊界整定法的經(jīng)驗(yàn)公式： ..................................................................................22 本章小結(jié) ..........................................................................................................................23 第 4 章 主電路的仿真及結(jié)果分析 ...................................................................................................24 PSIM 電力電子仿真軟件 .....................................................................................................24 仿真輸出結(jié)果及分析 .........................................................................................................25 仿真主電路 ..............................................................................................................25 變化的輸入電壓，輸出電壓的響應(yīng)曲線 ....................................................................28 負(fù)載突加的實(shí)驗(yàn)仿真波形 ..........................................................................................29 本章總結(jié) ...........................................................................................................................31 第 5 章 總結(jié)與展望 ........................................................................................................................32 全文總結(jié) ...........................................................................................................................32 后期展望 ..........................................................................................................................32 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................................33 致謝 ...............................................................................................................................................36 第 1 章 緒論 1 第 1 章 緒論 升壓變換器的歷史背景 開發(fā)新能源的緊迫性與可再生能源的開發(fā) 升壓式 DC— DC 變換器在通信、電子、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，光伏發(fā)電領(lǐng)域中光伏組件模塊輸出電壓低，為了將直流母線電壓提升到常規(guī)電壓以用來(lái)并網(wǎng)逆變，用的直流變換器必須具備高電壓增益的特點(diǎn)，變換器的變換效率與光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率息息相關(guān)，因此，研究適合用于小功率場(chǎng)合、達(dá)到高電壓增益、高效率要求的直流變換器成了急待解決的問題。許多學(xué)者為了解決 這種新能源發(fā)電的高增益直流變換器出現(xiàn)的問題，提出了多種解決方案訓(xùn)。研究和實(shí)踐表明 ,直接由太陽(yáng)輻射到地球上的能量非常豐富，分布廣泛，可以再生，而且不污染環(huán)境，每 40 秒鐘就有相當(dāng)于 210 億桶石油的能量，相當(dāng)于全球一天所消耗的能源，所以太陽(yáng)能是國(guó)際社會(huì)公認(rèn)的不可再生能源的理想替代源。 全球發(fā)電業(yè)飛速發(fā)展，國(guó)際能源署預(yù)測(cè)： 2020 年，世界光伏發(fā)電的量占總發(fā)電量的 2%；到 2040 年 ， 占總發(fā)電量的 20%～ 28%。在中國(guó)可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃報(bào)告中明確提出：到 20xx 年，太陽(yáng)能發(fā)電總?cè)萘窟_(dá)到 30 萬(wàn) kW，到 2020 年達(dá)到 180 萬(wàn)kW，到 2050 年將達(dá)到 60000 萬(wàn) kW。相信隨著光伏發(fā)電在中國(guó)的普及和推廣應(yīng)用，光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題越來(lái)越受到社會(huì)的重視。最為清潔的可再生資源太陽(yáng)能，具有非常大的優(yōu)勢(shì)和豐富的開發(fā)利用底蘊(yùn)。從轉(zhuǎn)換能量的方式，太陽(yáng)能主要利用在個(gè)領(lǐng)域：光熱轉(zhuǎn)換 (太陽(yáng)能熱力發(fā)電、太陽(yáng)能灶、太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能海水蒸餾器、太陽(yáng)能清潔能源房等 )光電轉(zhuǎn)換 (光伏發(fā)電系統(tǒng) )和光化學(xué)轉(zhuǎn)換（太陽(yáng)能制氫、制氧等 )，其中最為主要的應(yīng)用形式是利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電。 近年來(lái)，對(duì)于利用太陽(yáng)能來(lái)光伏發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了很深入的研究，所以取得了前所未 有的發(fā)展，通過(guò)太陽(yáng)能的光伏并網(wǎng)發(fā)電成為利用太陽(yáng)能的主要方式之一。鉆研利用光伏并網(wǎng)來(lái)發(fā)電的技術(shù)對(duì)延緩能源枯竭、促進(jìn)生態(tài)環(huán)境和維持經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)與發(fā)展具有重大理論和現(xiàn)實(shí)意義。一般來(lái)說(shuō)光伏陣列電池的輸出電壓比較小，必須經(jīng)過(guò)DCDC 升壓電路才能符合后級(jí)并網(wǎng)逆變器母線的標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)橐岣哒麄€(gè)系統(tǒng)的效率，必須選有高增益、高效率的特點(diǎn)的前級(jí)變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 圖 11 實(shí)例原理演示圖 2 高增益變換器的現(xiàn)狀 現(xiàn)廣泛采用的升壓變換器電路可分為兩類：一類是變壓器隔離方式，典型電路是Boost 升壓電路和 Flyback 升壓電路；另一類是非隔離的 C 耦合式或開關(guān)式電容， Boost 電路的優(yōu)點(diǎn)是可以是輸入電流連續(xù)，并且在整個(gè)輸入電壓的正弦周期都可以調(diào)制，因此可以獲得很高的功率因數(shù)，該電路的帶你干電流即為輸入電流，因而容易調(diào)節(jié)，同時(shí)開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)與輸出共地，股驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，此外輸入電流連續(xù)，開關(guān)管的電流峰值較小，因此對(duì)輸入電壓變化適應(yīng)強(qiáng)。但是孰能電感在 Boost 升壓電路中起著極為關(guān)鍵的作用，一般而言，其電感值越大，匝數(shù)越多，阻抗就越大，這樣就會(huì)容易引起電感飽和，發(fā)熱量增加，嚴(yán)重威脅產(chǎn)品的壽命。同時(shí)受到開關(guān)管電壓應(yīng)力 、變換效率等因素，限制了電路體積的進(jìn)一步減小 ，同時(shí)分布參數(shù)也制約了其效率的提高的限制；后者電路簡(jiǎn)單 ,能高效提供直流多路輸出必須符合輸出多組的要求，轉(zhuǎn)換效率比較高 ,損失相對(duì)較小，比值較小的變壓器匝數(shù)，輸入電壓可以很大的范圍內(nèi)波動(dòng) ,仍可有比較穩(wěn)定的輸出 ,目前已可在 85~265V 交流輸入 間 .實(shí)現(xiàn)無(wú)需切換達(dá)到非常的穩(wěn)定輸出。輸出電壓具有較大的紋波 ,不高的負(fù)載調(diào)整精度 ,所以輸出功率得到限制 ,通常應(yīng)用于 150W 以下；在電流連續(xù)下的轉(zhuǎn)換變壓器 (Continuous Current Mode， CCM)模式下工作 ,有很 大的直流分量 ,易引起磁芯飽和 ,可以在磁路中加入氣隙來(lái)解決 ,從而 使變壓器體積偏大；變壓器具有直流電流成份 ,會(huì)同時(shí)工作于 CCM/DCM(Discontinuous Current Mode,DCM)兩種模式下 ,故在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)非常困難 ,迭代過(guò)程較繁瑣。 開關(guān)單元高增益直流變換器 電感、電容作為儲(chǔ)能元件，具有電源的性質(zhì)，將開關(guān)管、二極管與儲(chǔ)能元件相組合，構(gòu)成開關(guān)單元，通過(guò)控制開關(guān)管導(dǎo)通 /關(guān)斷狀態(tài)的切換，改變變換器中多個(gè)儲(chǔ)能元件間的連接方式，可以達(dá)到高電壓增益的效果。根據(jù)儲(chǔ)能元件的不同，可分為基本的開關(guān) 電感升壓變換器與開關(guān)電容升壓變換器， 圖 (a)、 (b)分別為對(duì)應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 (A): 開關(guān)電感 Boost 變換器當(dāng)開關(guān)管 S 開通時(shí)，兩個(gè)電感 L 并聯(lián)被輸入電源 Vi充電，而當(dāng)開關(guān)管 S 關(guān)斷時(shí)，兩個(gè)電感 L L2 串聯(lián)對(duì)負(fù)載釋放能量。該變換器有如下優(yōu)點(diǎn)： (1) 電感電流的減小使可以用體積較的小單個(gè)電感； (2) 兩個(gè)工作模態(tài)一致的電感，可以在一個(gè)磁芯之上放置； (3) 拓展了 Boost 變換器電壓增益的特點(diǎn)。 而此變換器缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在： (1)因占空比不能過(guò)大的限制，該變換器的電壓增益大部分 情況不高于 10 倍 ； (2)輸出電壓即為功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力，這會(huì)給開關(guān)管帶來(lái)非常大的導(dǎo)通電阻，因?yàn)榫哂休^大的輸入電流的高增益變換器，開關(guān)管會(huì)產(chǎn)生很大的導(dǎo)通損耗； 輸出電壓即為輸出端的二極管電壓產(chǎn)生的應(yīng)力，在硬關(guān)斷的條件下，具有較大的第 1 章 緒論 3 反向恢復(fù)損耗。 (B): 開關(guān)電容型 Boost 變換器當(dāng)開關(guān)管當(dāng) S 開通時(shí)，電容 C2 被充電， C C3 對(duì)負(fù)載釋放能量；開關(guān)管 S 關(guān)斷，電容 C2 釋放能量 C1 與 C3 被充電。該變換器有如下優(yōu)點(diǎn)： (1) 電壓應(yīng)力較低的變換器的功率開關(guān)管； (2) 承受較小的反向電壓的輸出側(cè)二極管； (3) 比 Boost 的電壓增益變換器高兩倍； (4) 輸出側(cè)很多電容間具有自均壓的能力。 該變換器缺點(diǎn)： (1) 受到占空比不能過(guò)大的限制，該電壓增益一般不高于 10； (2) 輸入電流可以視為電感電流，考慮到變換器為低壓大電流輸入，具有較大體積的磁性器件； (3) 該變換器的功率開關(guān)管電流有效值過(guò)大，導(dǎo)通損耗的增大在一定程度上降低了整個(gè)系統(tǒng)的效率。 CSD 1D 3L 2L 1D 2V iR LC 1D 1LD 2v iD 3C 2R LC 3S (a)開關(guān)電感 Boost 變換器 (b)開關(guān)電容 Boost 變換器 圖 12 輸出側(cè)多電容串聯(lián)結(jié)構(gòu)耦合電感高增益直流變換器 耦合電感高增益直流變換器 同樣的，耦合電感的副邊繞組具有電源的性質(zhì)。與隔離型拓?fù)湎嗨?，增加耦合電感原副邊繞組匝比 n，即可獲得較大的電壓增益，按照輸出側(cè)濾波電容的連接方式的不同，耦合電感高增益直流變換器可以分為輸出側(cè)多電容結(jié)構(gòu)耦合電感高增益直流變換器以及輸出側(cè)單電容結(jié)構(gòu)耦合電感高增益直流變換器。 (A): 輸出側(cè)多電容結(jié)構(gòu) 耦合電感高增益直流變換器將 Boost 變換器的濾波電感作為耦合電感的原邊繞組，再將副邊繞組整流輸出并與 Boost 輸出電容串聯(lián)，可以得到輸出側(cè)多電容結(jié)構(gòu)耦合電感高增益直流變換器拓?fù)渥?。根?jù)副邊繞組整流形式的不同可以分為半波整流、半波倍壓整流、全波整流、中心抽頭整流、全波倍壓整流結(jié)構(gòu)。 圖 (左 )所示為耦合電感采用半波整流形式而衍生出的 Boost反激變換器的拓 4 撲結(jié)構(gòu)，變換器的輸出電壓為 Boost 電路與反激電路輸出之和，增加耦合電感的匝比n，可以獲得很大的電壓增益。隨后，在 Boost反激變換器的基 礎(chǔ)上，圖 (右 )所示的 Boost全波整流變換器被提出，改進(jìn)了半波整流結(jié)構(gòu)在電壓增益、輸出二極管電壓應(yīng)力等方面的不足。輸出側(cè)多電容結(jié)構(gòu)耦合電感高增益直流變換器具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1) 開關(guān)管電壓應(yīng)力較低； (2) 無(wú)源箝位回路可以降低開關(guān)管電壓應(yīng)力，抑制電壓尖峰； (3) 變換器電壓增益可以通過(guò)提高耦合電感的匝比 n 進(jìn)行擴(kuò)展。 V iN PSN SC 2C 1R LD 2D 1V iN PSN SC 2C 1R LD 1C 3D 2D 3 圖 13 輸出側(cè)單電容結(jié)構(gòu)耦合電感高增益直流變換器 輸出側(cè)多電容結(jié)構(gòu)耦合電感高增益直流變換器的缺點(diǎn)則是： (1) 耦合電感副邊整流二極管電壓應(yīng)力過(guò)大； (2) 功率開關(guān)管電流應(yīng)力較大。 (B): 輸出側(cè)單電容結(jié)構(gòu)耦合電感高增益直流變換器 輸出側(cè)單電容結(jié)構(gòu)耦合電感高增益直流變換器，合理的設(shè)置耦合電感的匝比 n，可以獲得較大的變換器電壓增益，漏感的能量通過(guò)二極管 D1 以及箝位電容 Cc實(shí)現(xiàn)無(wú)損的轉(zhuǎn)移；在此基礎(chǔ)之上，提出了有源箝位的單電容輸出耦合電感高增益變換器可以實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管以及箝位開關(guān)管的零電壓開關(guān)，提高了開關(guān) 頻率。隨后，多繞組耦合電感高增益變換器被提出，進(jìn)一步擴(kuò)大了電壓增益。 此類變換器具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1) 開關(guān)管電壓應(yīng)力較低； (2) 利用箝位回路耦合電感漏感能量可以被無(wú)損的轉(zhuǎn)移； (3) 變換器電壓增益可以通過(guò)提高耦合電感的匝比 n 進(jìn)行擴(kuò)展。 而該類變換器的缺點(diǎn)則是：耦合電感輸出側(cè)整流二極管電壓應(yīng)力過(guò)大。 傳統(tǒng)的 Boost 變換器工作原理 升壓式變換器，是一種輸出電壓高于輸入電壓的單管 非 隔離直流變換器。 Boost電路的