光伏發(fā)電用DCDC變換器的研究

1、光伏發(fā)電用DC/DC變換器的研究 The Research on APPlication of DC/DC Converter to Photovoltaie System 第一章緒論 1.1課題研究的目的和意義 當(dāng)前，隨著煤、石油、天然氣等人類社會最主 要能源的日益枯竭，清潔能源即新能源的開發(fā) 己越來越受到人們的重視。在這些可再生的清 潔能源中，主要有太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、 海洋能、地?zé)崮艿?。?0世紀(jì)90年代開始，世 界能源電力市場發(fā)展最為迅速的已經(jīng)不再是石 油、煤和天然氣，而是太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電 等可再生能源。近幾年世界能源消耗增長趨勢， 按來源分類如表1一1所示。國際一些能源專家

2、預(yù)言:就能源、電力而言，21世紀(jì)將是可再生能 源的世紀(jì)。 太陽能光伏發(fā)電是新能源和可再生能源 的重要組成部分，也是當(dāng)前世界上最有 發(fā)展前景的新能源技術(shù)之一。由于它不 受地理?xiàng)l件的限制，也不需大量鋪設(shè)電 力網(wǎng)絡(luò)，因而成為缺電或無電的偏遠(yuǎn)地 區(qū)、沿海島嶼供電問題的重要手段，對 于促進(jìn)這些地區(qū)脫貧致富，為經(jīng)濟(jì)生態(tài) 環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展和社會穩(wěn)定發(fā)展有著重要 意義。 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)具有以下一些優(yōu)點(diǎn): 真正的無污染、可再生的綠色能源; 利用場地廣泛、靈活，既可以離開電網(wǎng)單獨(dú) 運(yùn)行也可以與電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行; 可以提高電力用戶可靠性或提高電能質(zhì)量; 接近負(fù)荷中心，減小輸配電網(wǎng)的傳輸功率， 減小或推遲輸配電線路的建設(shè)

3、和更新: 降低電網(wǎng)線損，在負(fù)荷中心建立電源支點(diǎn). 基于以上的優(yōu)點(diǎn)，太陽能光伏發(fā)電得到 了各國普遍認(rèn)同，越來越多的資金和人 力己投入進(jìn)來，相應(yīng)的對光伏產(chǎn)業(yè)的扶 持政策也紛紛出臺。許多國家正在大力 開發(fā)并積極鼓勵本國人民利用此種資源， 到2010年，世界光伏發(fā)電系統(tǒng)累計(jì)安裝 容量將達(dá)15GW。 這意味著未來45年，世界光伏產(chǎn)業(yè)將 以28%左右的年平均速度發(fā)展，成為世 界上發(fā)展最快的一個產(chǎn)業(yè)。各國可再生 能源法的頒布、快速發(fā)展的光伏屋頂計(jì) 劃、各種減免稅政策和補(bǔ)貼政策以及逐 漸成熟的綠色電力價格，為光伏市場的 發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。光伏發(fā)電的應(yīng) 用領(lǐng)域?qū)⒂蛇呥h(yuǎn)和農(nóng)村地區(qū)的補(bǔ)充能源 逐漸向全社會的替代

4、能源過渡。預(yù)計(jì)到 21世紀(jì)中期，太陽能光伏發(fā)電將達(dá)到占 世界總發(fā)電量的10%20%，成為人類 的基礎(chǔ)能源之一。目前，太陽能光伏發(fā) 電已廣泛應(yīng)用于蓄電池充電、小型光伏 聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、光伏水泵系統(tǒng)，戶用電源、 游泳池供熱系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)等領(lǐng)域。 緊緊圍繞降低光伏發(fā)電成本的各種研究工作一 直在緊張的進(jìn)行著。其中在電力電子領(lǐng)域，以 提高光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏用控制器、逆變器等 關(guān)鍵平衡設(shè)備的性能、可靠性、轉(zhuǎn)換效率等為 研究工作的熱點(diǎn)課題。本文在此基礎(chǔ)上，針對 這些關(guān)鍵平衡設(shè)備中的DC/DC變換器裝置進(jìn) 行了總結(jié)和研究，探討了基于DC/DC變換器 的最大功率點(diǎn)尋優(yōu)算法、三電平技術(shù)、軟開關(guān) 技術(shù)和電磁兼容性等問題。

5、 1.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成 1.2.1離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng) 未與公共電網(wǎng)聯(lián)接的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為 離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。此系統(tǒng)中，電能唯一來源 于太陽能電池陣列。為保證穩(wěn)定性和運(yùn)行效率， 系統(tǒng)必須配備貯能蓄電池來儲存和調(diào)節(jié)電能， 當(dāng)在夜晚或日光不強(qiáng)等外在條件影響下，太陽 能電池不能為負(fù)載提供足夠的能量時，蓄電池 向負(fù)載提供能量以保證電能穩(wěn)定，另一方面， 當(dāng)日光充足使得系統(tǒng)能提供多于負(fù)載所需要的 能量時，蓄電池將貯存多余的電能。 離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)如圖 1.1所示: （1）太陽能電池組件: 太陽能電池片是一個單一的可發(fā)電器件，相當(dāng) 于一節(jié)有0.5V左右電壓的電池；而電池組件 則相當(dāng)于有多節(jié)電池經(jīng)

6、串/并聯(lián)組成的電池組。 太陽能電池組件的組成數(shù)量通常是由系統(tǒng)電壓 （蓄電池電壓）來決定，通常組件電壓是蓄電 池電壓的1.4-1.5倍。例如：蓄電池電壓為 12V，組件工作電壓一般為16.8-18V之間， 那么電池片數(shù)量為18V/0.5V，也就是36片。 所以常用數(shù)量36或40片，大功率組件為72片。 經(jīng)過封裝后組合成可以獨(dú)立作為電源使 用的太陽能電池組件，具有一定的防腐、 防風(fēng)、防雹、防雨的能力，能夠廣泛應(yīng) 用于各個領(lǐng)域和系統(tǒng)。當(dāng)應(yīng)用領(lǐng)域需要 較高的電壓和電流而單個組件不能滿足 要求時，可把多個組件組成太陽能電池 方陣，以獲得所需要的電壓和電流。 (2)太陽能控制器： 由于光伏電池陣列具有強(qiáng)烈

7、的非線性特 性，為保證光伏電池陣列在任何日照和 環(huán)境溫度下始終可以輸出相應(yīng)的最大功 率，通常引入了光伏電池最大功率點(diǎn)跟 蹤（MPPT-Maximum Power Point Tracking）控制。 (3)DC-DC變換裝置： 通過控制回路中功率器件的導(dǎo)通與關(guān)斷， 將光伏電池陣列輸出的低壓直流電升壓 成高壓直流電，為DC-AC逆變器的工作 提供前提條件，能保證在直流輸入電壓 大范圍變化的情況下輸出穩(wěn)定的高壓直 流電，并同時實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制功 能。 (4)逆變器： 逆變器的作用就是將光伏電池板和蓄電 池提供的低壓直流電逆變成220伏交流 電，供給交流負(fù)載使用。 (5)儲能裝置： 蓄電池組一般

8、是由一定數(shù)量的鉛酸蓄電 池經(jīng)由串、并聯(lián)組合而成，其容量的選 擇應(yīng)與光伏電池陣列的容量相匹配。該 部分的主要作用是將光伏電池陣列發(fā)出 的直流電直接儲存起來，供負(fù)載使用。 目前太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)大致可分為三 類，離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)，光伏并網(wǎng)發(fā)電 系統(tǒng)及前兩者混合系統(tǒng)。太陽能電池發(fā) 電系統(tǒng)是利用光生伏打效應(yīng)原理制成的， 它是將太陽輻射能量直接轉(zhuǎn)換成電能的 發(fā)電系統(tǒng)。它主要由太陽能電池方陣和 逆變器兩部分組成。 根據(jù)用電負(fù)載的特點(diǎn)，離網(wǎng)光伏發(fā)電系 統(tǒng)可分為直流系統(tǒng)、交流系統(tǒng)和交直流 混合系統(tǒng)等幾種，系統(tǒng)具體組成框圖如 圖1.2所示。 顧名思義，聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是與公共電網(wǎng)相 聯(lián)接的系統(tǒng)。它可分為集中式大

9、型聯(lián)網(wǎng)光伏系 統(tǒng)(大型聯(lián)網(wǎng)光伏電站)和分散式小型聯(lián)網(wǎng)光伏 系統(tǒng)(住宅聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng))兩大類型。其中大型 聯(lián)網(wǎng)光伏電站由于投資巨大，建設(shè)期長，需要 復(fù)雜的控制和配電設(shè)備，并要占用大量的土地 面積，使得發(fā)電成本較高而發(fā)展較慢。住宅聯(lián) 網(wǎng)光伏系統(tǒng)由于建設(shè)容易，投資不大，加上許 多國家激勵政策的扶持，因而發(fā)展迅速，成為 當(dāng)前發(fā)展的主流。 按是否允許通過供電區(qū)變壓器向主電網(wǎng) 饋電，聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)分為可逆流和不可 逆流系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。當(dāng)聯(lián) 網(wǎng)光伏系統(tǒng)中配置有蓄電池作為貯能裝 置，系統(tǒng)也可稱為有貯能系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如 圖1.4所示。有貯能系統(tǒng)主動性較強(qiáng)，當(dāng) 出現(xiàn)電網(wǎng)限電、掉電、停電等情況時仍 然可以正常

10、供電。 圖1.3聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖1.4 有貯能系統(tǒng) 1.3光伏發(fā)電系統(tǒng)中DC/DC變 換器應(yīng)用場合 1.3.1蓄電池充電控制器 離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和聯(lián)網(wǎng)光伏有貯能系 統(tǒng)中，太陽能電池陣列和蓄電池之間必 須有充電控制器，它使太陽能電池始終 工作在最大功率點(diǎn)處，從而提高充電效 率。良好的充電控制器，同時能有效保 護(hù)蓄電池不受過充、放電的損害，提高 蓄電池的使用壽命。 蓄電池充電控制器實(shí)質(zhì)上為一個DC/DC 變換器裝置，它是系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的環(huán) 節(jié)之一，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的運(yùn)行效 率和可靠性。近年來，對其研究也越來 越廣泛，各種控制形式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相繼 提出。 圖1.5為采用脈沖頻率調(diào)制(PFM)

11、的蓄電池控 制器主電路圖，其結(jié)構(gòu)為一個半橋的DC/DC 變換裝置，具有以下特點(diǎn): 低損耗，無損緩沖使得開關(guān)管S1、S2為 ZCS開關(guān)狀態(tài); 自動的跟蹤蓄電池電壓，DC/DC變換器輸 出電壓可變; 運(yùn)行在高頻下，控制器的體積很小; 輸出與輸入隔離。 圖1.5脈沖頻率調(diào)制的蓄電池 控制器主電路 圖1.6為最大功率跟蹤型的蓄電池充電控制器 結(jié)構(gòu)圖，主電路采用Buck（降壓電路）軟開 關(guān)型結(jié)構(gòu)，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制變換器占空 比、改變充電電流，尋優(yōu)太陽能電池陣列輸出 最大功率。此類控制器在充分利用太陽能電池 陣列輸出能量的同時，使充電電流成為脈沖電 流，減小了蓄電池的極化。主電路軟開關(guān)結(jié)構(gòu) 使得開關(guān)管

12、實(shí)現(xiàn)ZVS關(guān)斷、ZCS開通，提高 了充電效率。 圖1.6最大功率跟蹤型的蓄電 池控制器結(jié)構(gòu) 1.3.2光伏水泵系統(tǒng) 系統(tǒng)中，與光伏水泵相匹配的驅(qū)動電機(jī) 類型有:不同電壓等級的傳統(tǒng)直流電動機(jī)、 直流無刷永磁電動機(jī)、磁阻電動機(jī)、交 流電機(jī)等。傳統(tǒng)的采用普通的直流電動 機(jī)作為光伏水泵的拖動電機(jī)時，為了獲 得太陽能電池陣列最大輸出功率和調(diào)節(jié) 直流電機(jī)的輸入電壓，改善系統(tǒng)的動態(tài) 性能，需要有DC/DC變換裝置作為控制 器。 圖1.8為一個直流光伏水泵系統(tǒng)，控制器 主電路采用Boost變換器（升壓電路）， 同沒有Boost電路的系統(tǒng)相比較，系統(tǒng) 能明顯改善太陽能電池陣列的輸出特性 和光伏水泵的動態(tài)性能，同

13、時單片機(jī)控 制實(shí)現(xiàn)太陽能電池陣列的最大功率輸出， 從而提高了系統(tǒng)的效率。 圖1.8控制器為Boost電路的 直流光伏水泵系統(tǒng) 在大功率的直流光伏系統(tǒng)中，為了能采 用小功率下的控制器，一般采用“矩陣” 式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1.9所示。太陽能電 池和DC/DC變換器作為一個子系統(tǒng)，根 據(jù)不同功率等級的直流電動機(jī)，若干子 系統(tǒng)組合而成。這種系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn): 不同的功率等級下，可以使用同一種 DC/DC變換器; 各個子系統(tǒng)相互獨(dú)立，局部的故障不影響整 體工作; 各子系統(tǒng)均能使各自太陽能電池工作在最大 輸出功率點(diǎn)，整個系統(tǒng)的效率得以提高; 輕載下，可以限制輸出電壓以防止直流電動 機(jī)過高的轉(zhuǎn)速。 近年來，隨

14、著新型調(diào)速控制理論及功率電子器 件的出現(xiàn)，交流調(diào)速技術(shù)有了長足的發(fā)展，交 流電機(jī)效率已逐漸接近直流電動機(jī)，而另一方 面，交流電機(jī)使用的方便性和牢固性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 直流電動機(jī)。因此，目前光伏水泵系統(tǒng)中三相 異步電動機(jī)和直流無刷電動機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)是 采用最多的。當(dāng)采用這種結(jié)構(gòu)時，一般也需采 用DC/DC變換器泵升電壓并尋優(yōu)系統(tǒng)最大功 率輸出，結(jié)構(gòu)如圖1.10所示。 圖1.10交流光伏水泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1.3.3聯(lián)網(wǎng)逆變器 聯(lián)網(wǎng)逆變器是聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件 和關(guān)鍵技術(shù)。它與一般逆變器不同之處在于不 僅可將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并且還對轉(zhuǎn)換的 交流電的頻率、電壓、電流、相位、有功、無 功、同步、電能品質(zhì)

15、(電壓波動高次諧波)等進(jìn) 行控制。目前，己進(jìn)入實(shí)用的聯(lián)網(wǎng)逆變器有三 種回路形式:電網(wǎng)頻率變壓器絕緣方式、高頻變 壓器絕緣方式和無變壓器方式。 1、電網(wǎng)頻率變壓器(工頻變壓 器)絕緣方式 此方式結(jié)構(gòu)如圖1.11所示，系統(tǒng)采用PWM逆 變器產(chǎn)生電網(wǎng)頻率的交流，并使用工頻變壓器 進(jìn)行絕緣和變壓，因而具有了良好的抗雷擊和 削除尖波的性能。 工頻變壓器絕緣方式是目前大功率下采用最多 的結(jié)構(gòu)，但由于采用了工頻變壓器，無法提高 系統(tǒng)的功率密度，同時控制較復(fù)雜且無法檢測 直流電流輸出的功能。此種方式，沒有直接用 到DC/DC變換器裝置。 2、高頻變壓器絕緣方式 此種方式要兩種結(jié)構(gòu)形式，如圖1.12(a) 采用

16、了帶高頻變壓器的DC/DC變換裝置， 經(jīng)過絕緣和變壓后再逆變輸出，逆變器 仍然是采用PWM產(chǎn)生電網(wǎng)頻率的交流。 圖1.12(b)部分采用D/cDC變換裝置的 結(jié)構(gòu)形式，使用DC/DC變換裝置前級， 省略了其輸出濾波環(huán)節(jié)，經(jīng)過高頻變壓 器再直接接AC/AC變換環(huán)節(jié)產(chǎn)生電網(wǎng)頻 率的交流電。 采用高頻變壓器絕緣方式的聯(lián)網(wǎng)逆變器， 體積小，重量輕，非常適合用于 小功率場合。近年來，這種方式的最小 光伏聯(lián)網(wǎng)逆變系統(tǒng)一一AC Module （AC光伏組件）發(fā)展迅速。 圖1.12采用高頻變壓器絕緣方 式的聯(lián)網(wǎng)逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖1.13，1.14所示的聯(lián)網(wǎng)逆變器，為降 低各開關(guān)損耗，前級單端反激變換器一 般工作

17、在電流斷續(xù)狀態(tài)，以使開關(guān)處在 ZCS或ZVS工作狀態(tài)，提高系統(tǒng)的效率。 圖1.15是一個250W AC Module拓?fù)?結(jié)構(gòu)，前級采用串聯(lián)諧振DC/DC變換器 結(jié)構(gòu)形式。為消除并網(wǎng)時沖擊電流的影 響，在輸出回路上串接了兩個二極管 (D6、D7)，從電網(wǎng)側(cè)看，二極管的串接 使得與電網(wǎng)連接的高頻逆變器不能做為 整流器使用。 圖1.15 250W串聯(lián)諧振 DCIDC變換器的聯(lián)網(wǎng)逆變器 AC Module各種類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均不同 程度的采用了高頻DC/DC變換技術(shù)以調(diào) 節(jié)功率輸出。隨著其研究的進(jìn)一步發(fā)展， 其中對DC/DC變換技術(shù)的研究必將更深 入。 3、無變壓器方式 該種方式結(jié)構(gòu)如圖1.16所示。

18、首先用無 隔離的DC/DC變換器裝置把太陽能電池 陣列的直流電壓提升到逆變器并網(wǎng)需要 的直流電壓，然后采用PWM逆變器產(chǎn)生 電網(wǎng)頻率的交流。用此方式可進(jìn)一步減 小聯(lián)網(wǎng)逆變器的體積，減輕其重量，同 時使成本降低，效率及可靠性能提高。 采用高頻變壓器和無變壓器方式的聯(lián)網(wǎng)逆變器， 由于在成本、尺寸、重量及效率等方面具有優(yōu) 勢，因而在小功率及分布式發(fā)電系統(tǒng)中成為目 前研究的熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢。 隨著聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)功率等級的日益提高， 出現(xiàn)了采用DC總線結(jié)構(gòu)的聯(lián)網(wǎng)逆變器電路形 式，結(jié)構(gòu)如圖1.17所示。這種聯(lián)網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu) 中，DC/DC變換器部分包括了高頻變壓器絕 緣和無變壓器兩種方式。 圖1.17采用D

19、C總線結(jié)構(gòu)的聯(lián) 網(wǎng)逆變器 1.4本章內(nèi)容總結(jié) 在總結(jié)了光伏發(fā)電領(lǐng)域中DC/DC變換器 應(yīng)用場合后，跟蹤DC/DC變換技術(shù)在系 統(tǒng)關(guān)鍵平衡設(shè)備(光伏用控制器、逆變器) 中的應(yīng)用，本文就以下幾個問題展開了 討論和研究: 總結(jié)了應(yīng)用在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的 DC/DC變換器常用拓?fù)洳⒑喴治銎鋬?yōu) 缺點(diǎn)和使用場合； 探討了三電平技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)的D/CDC 變換器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的可行性并具體分析 了幾種基本電路; 基于DC/DC變換器的MPPT技術(shù)進(jìn)行了研 究和概括; 對應(yīng)用在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的DC/DC變換器 電磁兼容性進(jìn)行初步設(shè)計(jì); 具體分析了蓄電池充電控制器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和無 變壓器方式的聯(lián)網(wǎng)逆變器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

20、。 第二章光伏發(fā)電系統(tǒng)中的 DC/DC變換器 2.1引言 DC/DC變換器是使用半導(dǎo)體開關(guān)器件，通過 控制器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，配合電感、電容 或高頻變壓器等器件以連續(xù)改變和控制輸出直 流電壓的變換電路。它可分為直接變換和間接 變換兩種類型，前者中間沒有變壓器介入，直 接進(jìn)行直流電壓變換，這種電路也稱為非隔離 型DC/DC變換器(斬波電路); 后者則先將直流電壓變換為交流電壓，經(jīng)變壓 器轉(zhuǎn)換后再變換為直流電壓，此種直一交一直 電路也稱為隔離型DC/DC變換器。 近年來，隨著高頻化和軟開關(guān)、三電平技術(shù)的 發(fā)展，DC/DC變換器帶來的體積小、重量輕、 效率高等優(yōu)點(diǎn)，使其越來越多地應(yīng)用于光伏發(fā) 電系

21、統(tǒng)中。對比傳統(tǒng)的DC/DC變換器，光伏 發(fā)電系統(tǒng)中DC/DC變換器具有以下特點(diǎn): 發(fā)揮作用 顧名思義，傳統(tǒng)的DC/DC變換器，其功 能為變換一不控的直流電壓為一可控的、 滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的直流電壓;而應(yīng)用于 光伏發(fā)電系統(tǒng)中的DC/DC變換器電路， 除有直流電壓變換的作用外，還兼顧有 實(shí)現(xiàn)太陽能電池的最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT一Maximum Power Point Traeking)功能。 工作模式 傳統(tǒng)的DC/DC變換器要求輸出電壓保持可控， 因此閉環(huán)控制時，反饋信號一般為輸出電壓； 而在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)MPPT， DC/DC變換器的控制要求太陽能電池輸出電 壓穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)處，即變

22、換器輸入電壓穩(wěn) 定在太陽能電池最大輸出電壓上。當(dāng)系統(tǒng)采取 不同的MPPT算法時，反饋信號可以為變換器 的輸入電壓、輸出電流或輸入功率、輸出功率 等。 控制信號給定方式 傳統(tǒng)的DC/DC變換器多為專用芯片提供 控制信號，其控制較簡單；而光伏發(fā)電 系統(tǒng)中的DC/DC變換器，需尋優(yōu)太陽能 電池最大功率點(diǎn)，一般為單片機(jī)或DSP 計(jì)算并給定控制信號。 控制方式 傳統(tǒng)的DC/DC變換器可以采用PFM和 PWM兩種控制方式，而光伏發(fā)電系統(tǒng)中 的DC/DC變換器，為降低電路設(shè)計(jì)和控 制難度，提高可靠性，多采取PWM控制 方式以調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) 設(shè)計(jì)要求。 2.2光伏發(fā)電系統(tǒng)中非隔離型 DC/DC變

23、換器(斬波電路) 2.2.1基本斬波電路 本節(jié)只簡單介紹應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中的降壓 (Buck)、升壓(Boost)、降壓一升壓(Buck 一Boost) 、庫克(Cuk)四種基本斬波電路的 結(jié)構(gòu)，闡述了各基本電路的特點(diǎn)和在光伏發(fā)電 系統(tǒng)中的應(yīng)用場合，同時為方便電路設(shè)計(jì)，給 出了在電流連續(xù)模式下電路的主要關(guān)系式。關(guān) 于各電路工作原理和換流分析. 圖2.1為四種基本斬波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。相 對于傳統(tǒng)的Buck、Buck-Boost電路， 光伏發(fā)電系統(tǒng)中的這兩種電路，需要在 太陽能電池輸入側(cè)并聯(lián)電容C1，當(dāng)開關(guān) 管關(guān)斷時，保證太陽能電池輸出電流連 續(xù)從而不損失發(fā)電功率。 圖2.1光伏發(fā)電系統(tǒng)中四種基

24、本斬波電路結(jié)構(gòu) 返回 光伏發(fā)電系統(tǒng)中，這四種基本電路廣泛 應(yīng)用于太陽能電池的最大功率點(diǎn)跟蹤、 蓄電池充電和光伏直流電機(jī)控制的水泵 系統(tǒng)、離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中的直流光伏 照明、光伏直流輸電系統(tǒng)等。其具有結(jié) 構(gòu)簡單、效率高、控制易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。 但各自的缺點(diǎn)也顯而易見: Buck電路只能局限于降壓輸出的場合； Boost電路與Buck電路互補(bǔ)，它只能實(shí)現(xiàn)太 陽能電池輸出電壓升高變換，同時需要有合適 的開關(guān)控制以免使輸出電壓升壓過高；雖然 Buck一Boost電路可以得到較寬的輸出電壓 范圍，但增加了開關(guān)管電壓應(yīng)力；Cuk電路同 樣增加了開關(guān)管的電壓應(yīng)力，同時由于其采用 電容傳送能量，增大了電容本身的紋

25、波電流而 降低了系統(tǒng)的可靠性。 為便于電路的設(shè)計(jì)，表2-1給出了在電流 連續(xù)模式下各電路的主要關(guān)系式。這其 中：增益M為輸出電壓Vo與輸入電壓Vs 的比值；D為占空比；Lc為電感L1在電 流臨界連續(xù)狀況下的值；Lc為Cuk電路 中兩電感L1、L2在電流臨界連續(xù)時的并 聯(lián)值；Vo、Io為電路輸出電壓、電流； fs為開關(guān)管S1的開關(guān)頻率。 表2一1基本斬波電路的電路關(guān) 系式 2.2.2基本型三電平斬波電路 1、采用基本型三電平斬波電路的必要性及其 優(yōu)點(diǎn) 上節(jié)討論的四種基本型斬波電路，其開關(guān)管開 通關(guān)斷過程中所受的電壓應(yīng)力為輸入或輸出電 壓的一倍到幾倍，當(dāng)使用在高輸入的中大功率 光伏發(fā)電系統(tǒng)中，過高

26、的電壓應(yīng)力會帶來開關(guān) 管選擇的難度，同時也降低了系統(tǒng)的可靠性， 為此，本節(jié)提出了四種基本型三電平(Three 一Lveel，簡稱3L)斬波電路，電路結(jié)構(gòu)如圖 2.2所示。 圖2 . 2四種基本型三電平斬波 電路結(jié)構(gòu) 返回 其中Buck 3L、Buck一Boost 3L電 路仍然需要電容C1、C2以保證太陽能 電池輸出電流連續(xù)從而不損失發(fā)電功率， 各電路經(jīng)過快恢復(fù)二極管嵌位，能使開 關(guān)管的電壓應(yīng)力降為各自兩電平電路中 開關(guān)管電壓應(yīng)力的一半。 基本型三電平斬波電路具有以 下優(yōu)點(diǎn): 開關(guān)管電壓應(yīng)力為兩電平的一半，降低了開 關(guān)管的選擇難度; 儲能電感和電容容量可以大大減小，減小了 電路的體積。 正是基

27、于以上兩點(diǎn)優(yōu)勢，使得在功率密度 要求較高的場合中(如航天技術(shù)中的光伏系統(tǒng))， 這種以增加有源元件來減小無源元件體積的技 術(shù)具有很大的實(shí)用價值。 2、Buck一Boost三電平斬 波電路 2.2.1節(jié)討論的四種基本斬波電路中，Buck 一Boost電路的缺點(diǎn)為開關(guān)管的電壓應(yīng)力較高， 如果采用三電平方案時，其電壓應(yīng)力的問題也 將被解決而有可能成為光伏發(fā)電系統(tǒng)中典型的 應(yīng)用電路。為此，本節(jié)以Buck一Boost三電 平斬波電路為例，詳細(xì)分析其工作原理和換流 分析，并給出在電感電流連續(xù)狀況下的輸入、 輸出關(guān)系和電路中的濾波器設(shè)計(jì)原則，從理論 上進(jìn)一步探討三電平斬波電路的優(yōu)點(diǎn)。 Buck一Boost三電

28、平斬波電路結(jié)構(gòu)如 圖2.2(c)所示，對比基本型Buck一 Boost電路，其增加了S2、D2、C2、 C4元件。分析前，定義:Vs、Vo為輸入、 輸出電壓并假設(shè)其保持不變，T為變換周 期。 圖2.3Buck一Boost三電平 斬波電路各點(diǎn)工作波形 返回 (1)占空比D大于0.5時的換流 分析 電感L1電流iL1。連續(xù)時的工作波形如圖 2.3(a)所示。一個周期中其換流下: 2.2.3基本型軟開關(guān)斬波電路 1、采用軟開關(guān)技術(shù)的必要性及其分類 隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，對電力電子裝 置小型化、輕量化、轉(zhuǎn)換效率和電磁兼容性提 出了更高的要求。通常DC/DC變換器中，濾 波電感、電容和變壓器等無源

29、元件的體積和重 量占了很大的比例，為此必須設(shè)法降低它們的 體積和重量才能達(dá)到小型化、輕量化的目的。 由電磁感應(yīng)定律中的公式可知:在線圈端 電壓U相等和相同的磁通密度Bm下，提 高工作頻率f可以減小磁性元件的匝數(shù)N 和其有效截面積A。從而能使整個裝置小 型化。但簡單的提高開關(guān)頻率會帶來開 關(guān)損耗的成比例增加而使電路效率下降 嚴(yán)重，同時開關(guān)噪聲也將帶來嚴(yán)重的電 磁干擾問題。為解決此類問題，軟開關(guān) 技術(shù)相應(yīng)發(fā)展起來。 所謂“軟開關(guān)”是指： 利用諧振原理，在電路 中增加小的電感、電容等諧振元件，構(gòu)成輔助 換流網(wǎng)絡(luò)。使開關(guān)管中的電流（電壓）按正弦 或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，當(dāng)開關(guān)管電流自然過零時， 使開關(guān)關(guān)斷；

30、或開關(guān)管電壓為零時，使開關(guān)開 通；或者在開關(guān)管上并聯(lián)有源或無源吸收網(wǎng)絡(luò)， 利用吸收網(wǎng)絡(luò)以減小開關(guān)損耗，典型的有開關(guān) 管并聯(lián)電容近似實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷、開關(guān)管串聯(lián) 電感近似實(shí)現(xiàn)零電流開通等。 在很多情況下，一般當(dāng)開關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開 關(guān)時，不再指出開通和關(guān)斷，僅稱零電 壓開關(guān)(Zero Voltage Swithing一 zvs)和零電流開關(guān)(Zero Current swithing一zcs)。實(shí)際電路中，簡單 的吸收網(wǎng)絡(luò)會給電路造成總損耗增加、 關(guān)斷過電壓增大等負(fù)面影響，因此必須 附加輔助網(wǎng)絡(luò)配合使用。 但不管在什么情況下，軟開關(guān)電路會消 除開關(guān)管開關(guān)過程中的電壓、電流的重 疊，降低了它們的變化率，能

31、很大程度 地減小甚至消除開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。 從而保證了電路實(shí)現(xiàn)工作頻率提高的可 行性，實(shí)現(xiàn)裝置的小型化。 根據(jù)軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展歷程，它可以分 成準(zhǔn)諧振電路、零開關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn) 換PWM電路三類。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中， 直流變換電路的控制信號一般由單片機(jī) 或DSP提供而多采用PWM控制。所以 采用PFM方式控制的準(zhǔn)諧振電路很少應(yīng) 用在此類場合。 2、基本型軟開關(guān)斬波電路結(jié)構(gòu) 本節(jié)給出基本型斬波電路的幾種軟開關(guān) 電路結(jié)構(gòu)，簡要分析電路的優(yōu)缺點(diǎn)。圖 2.4為四種基本型零開關(guān)PWM斬波電路。 這其中(a)、(b)、(c)沒有輔助開關(guān);而(d) 中存在輔助開關(guān)管S2，在一個周期中， S2控制時序?yàn)樵谥?/p>

32、開關(guān)管S1關(guān)斷期間適 時導(dǎo)通、關(guān)斷。 圖2.4四種基本軟開關(guān)PWM斬 波電路 圖2.4四種基本軟開關(guān)PWM斬 波電路 圖2.4四種基本軟開關(guān)PWM斬 波電路 圖2.4四種基本軟開關(guān)PWM斬 波電路 返回 圖2.4中基本型零開關(guān)PWM斬 波電路具有以下優(yōu)點(diǎn): (a)、(b)、(c)電路能實(shí)現(xiàn)S1開通ZCS 和關(guān)斷ZVS，(d)電路中S1、S2均能實(shí) 現(xiàn)ZVS開通和關(guān)斷； (a)、(b)、(c)電路無需輔助開關(guān)使得 控制簡單，(d)中電路實(shí)現(xiàn)ZVS、輸入電 壓、負(fù)載變化范圍較寬。 但圖2.4斬波電路中諧振元件串聯(lián)于主電 路，將會部分影響系統(tǒng)效率，同時(a)、 (b)、(c) 中輸入電壓和輸出電流的

33、大范 圍變化將部分影響ZVZCS的實(shí)現(xiàn)狀態(tài)， 而(d)中輔助開關(guān)也增加了控制難度。 圖2.5為四種基本型零電壓轉(zhuǎn) 換(ZVT)斬波電路結(jié)構(gòu) 圖2.5為四種基本型零電壓轉(zhuǎn)換(ZVT)斬 波電路結(jié)構(gòu)，從圖中可看出，電路增加 了輔助開關(guān)S2，在一個周期中，S2控制 時序?yàn)槌爸鏖_關(guān)S1開通而在S1，開通 時刻關(guān)斷。 基本型ZVT斬波電路具有以下 優(yōu)點(diǎn): 電路實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管S1開通、關(guān)斷的ZVS， 輔助開關(guān)管S2開通實(shí)現(xiàn)ZCS，且實(shí)現(xiàn)ZVS、 ZCS的輸入電壓、負(fù)載變化范圍較寬; 諧振元件不在功率傳輸?shù)闹骰芈分?，開關(guān)管 S1 、 S2的電壓電流應(yīng)力小。 此電路的缺陷在于: S2的加入增加了控制難度; S

34、2沒有實(shí)現(xiàn)關(guān)斷時的軟開關(guān)。 3、ZVZCS Boost斬波電路 針對光伏聯(lián)網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一般需要泵升太 陽能電池輸出電壓以適應(yīng)聯(lián)網(wǎng)逆變的特 點(diǎn)，本節(jié)就圖2.4(b)中的這種結(jié)構(gòu)和控 制均非常簡單的ZVZCS Boost型斬波 電路進(jìn)行了工作原理和換流分析，并給 出了電路的主要參數(shù)計(jì)算和設(shè)計(jì)原則。 1) 工作原理和換流分析 在圖2.4(b)中，Lr、D2、D3、D4、C2、 C4構(gòu)成輔助諧振電路，使得開關(guān)S1開通 實(shí)現(xiàn)ZCS和關(guān)斷完成ZVS。在一個開關(guān) 周期中，電路有8種開關(guān)狀態(tài)。在分析工 作原理之前，需要作出如下假設(shè): 各開關(guān)管、二極管均為理想元件; 所有電感、電容均為理想元件; L:電感量很大近

35、似看成電流源; C1、 C3電容值很大近似看成電壓源; C4C2，L1Lr，太陽能電池輸出 電壓為Vs，輸出側(cè)電壓為Vo，電感L1 上的平均電流為IO 圖2.6ZVZCS Boost斬波電 路各點(diǎn)波形 圖2.7給出了不同開關(guān)狀態(tài)下的等效電路， 對照圖2.6給出的各點(diǎn)波形，各開關(guān)狀態(tài) 的工作情況描述如下。 2)參數(shù)設(shè)計(jì) 此電路中，輔助換流電路中諧振網(wǎng)絡(luò)參 數(shù)(Lr、C2、C4)的合理匹配是實(shí)現(xiàn)開關(guān) 管軟開關(guān)的關(guān)鍵。 諧振電感Lr的設(shè)計(jì) 從式(2一22)可以推出 其中，td為開關(guān)管S1的開通時間。 諧振電容C2的設(shè)計(jì) 從式(2一27)分析可得: 其中，otff為開關(guān)管S:的關(guān)斷時間 諧振電容C4的

36、設(shè)計(jì) C4的選擇應(yīng)遵循兩個原則: I、 C4 C2一般滿足C4 20 C2即 可。 II、在最小占空比Dmin時，Lr、C4要諧 振結(jié)束。即式2一26中的 不可太小。 在實(shí)際電路中考慮雜散參數(shù)地影響，一 般選擇C4 =(2550) C2。 儲能電感L1和濾波電容C3的選擇 滿足電感電流連續(xù)和輸出的紋波電壓要 求下，主電路中L1、C3的選擇可以參見 表2一1基本斬波電路的電路關(guān)系式。 2.3光伏發(fā)電系統(tǒng)中隔離型DC/ DC變換器 上節(jié)討論的斬波電路，雖然可以完成直 流電壓變換的功能，但在實(shí)際應(yīng)用中， 其存在著功率轉(zhuǎn)換功能上的局限性。具 體體現(xiàn)在: 部分電路輸入輸出不共地; 輸入輸出不隔離; 輸入

37、輸出電壓比、電流比不能過大; 無法實(shí)現(xiàn)多路輸出。 為克服以上局限，需要在電路中引入變 壓器以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。針對光伏發(fā) 電系統(tǒng)中的要求，本節(jié)就帶變壓器的隔 離型DC/DC變換器(直一交一直型變換電 路)進(jìn)行了探討。 總結(jié)了幾種基本隔離型DC/DC變換器并 詳細(xì)介紹了全橋DC/DC變換器及其控制 方式，就較高輸出電壓應(yīng)用，提出了一 種升壓型移相全橋ZVZCS DC/DC變換 器拓?fù)?，并介紹了工作原理和換流分析 以及具體參數(shù)設(shè)計(jì)原則，同時就較高輸 入電壓應(yīng)用，簡單介紹了隔離型的三電 平拓?fù)洹?2.3.1 基本隔離型DC/DC變換 器 本節(jié)闡述了幾種基本隔離型DC/DC變換器電 路的基本特點(diǎn)，給出

38、了在電流連續(xù)模式下的主 要關(guān)系式，同時簡單介紹了各自在光伏發(fā)電系 統(tǒng)中的應(yīng)用場合。 圖2.8為反激(Flyback)、正激(Forward)、 推挽(push一pull)、半橋(Half-bridge)四種 最基本隔離型DC/DC變換器電路結(jié)構(gòu)。從圖 中可以看出，為使太陽能電池輸出電流連續(xù)從 而不損失發(fā)電功率，電路均需要在輸入側(cè)并聯(lián) 電容。電流連續(xù)模式時各個電路的基本特點(diǎn)和 主要關(guān)系式以及應(yīng)用場合如如表2一2所示: 圖2.8四種基本隔離型DC/DC 變換器電路結(jié)構(gòu) 返回 表2-2四種隔離型DC/DC變換 器電路比較 2.3.2 全橋DC/DC變換器 全橋DC/DC變換器常應(yīng)用在AC Modul

39、e、直流光伏輸電線路、逆變器 和負(fù)荷間的電壓匹配變換、蓄電池充電 器等較大功率光伏發(fā)電系統(tǒng)中。與單端 或半橋變換器相比，其有一系列明顯優(yōu) 點(diǎn)，如開關(guān)管器件電壓電流應(yīng)力較低， 變壓器利用率高等。 但同時它也是一項(xiàng)非常復(fù)雜結(jié)構(gòu)，涉及 了如直通、驅(qū)動等眾多的因素和難題。 正因?yàn)榇?，對其研究也是在DC/DC變換 電路中最為廣泛的。根據(jù)輸入端供電方 式的不同(電流源或電壓源)，全橋 DC/DC變換器可分為電流型結(jié)構(gòu)或電壓 型結(jié)構(gòu)，實(shí)際光伏發(fā)電系統(tǒng)中，一般采 用PWM控制的電壓型，其電路基本結(jié)構(gòu) 如圖2.9所示。 1、全橋直流變換器基本工作原理 在圖2.9中，設(shè)Vs為輸入直流電壓，由 太陽能電池Pv提供;

40、；S1 輸出整流和Lr、Cf組成的低通濾波電路，最終 在輸出端得到一個平直的直流電壓VO，其值 為Vo=nDVs，其中D為占空比，D= ton是對角管同時導(dǎo)通時間，T是開關(guān)周期。 通過調(diào)節(jié)D即可方便地調(diào)節(jié)輸出電壓。 2、全橋DC/DC變換器控制方 式 PWMDC/DC全橋變換器三種控制方式: 雙極性控制、有限雙極性控制和移相控 制(Phase一Shitfing一Contorl)。各 自的控制脈沖如圖2.10所示。 雙極性控制(也稱常規(guī)PWM 控制) 如圖2.10(a)所示，此控制方式下，電路 對角線上的開關(guān)管(s1、S4;或S2、S3) 同時導(dǎo)通和關(guān)斷，兩對開關(guān)交替關(guān)斷和 開通，開通時間均小于

41、半個周期。由于 斜對角的兩開關(guān)管同時關(guān)斷，電路切換 方式中，AB兩點(diǎn)出現(xiàn)+l/-1或-1/+1情況， 無法實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，故全橋軟開 關(guān)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無法采用此種控制方式。 由于電路工作在硬開關(guān)狀態(tài)下，受到雜 散參數(shù)的影響，在開關(guān)過程中會產(chǎn)生較 大的電流和電壓尖峰，因此需要較大的 安全工作區(qū)和采用RC或RCD等無源緩 沖電路來改善開關(guān)管的工作狀態(tài)。 圖2.10全橋DC/DC變換器三 種控制方式 圖2.10(a) 有限雙極性控制 如圖2.10(b)所示，這種控制方式的特點(diǎn) 為:電路中一個橋臂的開關(guān)管(如S2、S4) 互補(bǔ)導(dǎo)通，并且其分別導(dǎo)通180O。另一 個橋臂的開關(guān)管(如S1、S3)與各自對

42、角 管同時導(dǎo)通，但其導(dǎo)通占空比D可調(diào)。采 用此種控制方式可以實(shí)現(xiàn)超前臂(如S1、 S3)的ZVS，滯后臂的ZCS，特別適合 于大功率下用IGTB作為滯后臂的全橋電 路，可以有效克服其電流拖尾影響。 (b)有限雙極性控制 圖2.10(b) 移相控制 如圖2.10(c)所示，此種控制是全橋軟開關(guān) DC/DC變換器采用最為廣泛的方式，根本思 想就是將硬開關(guān)PWM拓?fù)涞膬煞N開關(guān)狀態(tài)(斷 態(tài)和通態(tài))改變?yōu)槿N開關(guān)狀態(tài)(通態(tài)、斷態(tài)和 續(xù)流態(tài))，一個周期中AB兩點(diǎn)從+1/-1或-1/+1 態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?1/0/-1或-1/0/+l態(tài)。在續(xù)流態(tài)中實(shí) 現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)。該方式的基本工作原理為 每個橋臂的開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)

43、通，兩橋臂間移相一 個角度，通過控制移相角，來調(diào)節(jié)輸出電壓的 脈沖寬度即占空比，從而達(dá)到輸出電壓的目的。 (c)移相控制 圖2.10(c) 3、移相全橋ZVZCS DC/DC 變換器拓?fù)?移相全橋型DC/DC變換器由于其控制方式的 新穎而使得開關(guān)管較易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)控制。近年 來，這種類型的軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)展迅速，將 移相全橋DC/DC變換器軟開關(guān)電路歸結(jié)為 ZVS和ZVZCS兩類。這其中，ZVS方式中實(shí) 現(xiàn)滯后臂開關(guān)管ZVS的諧振能量單只有諧振電 感提供，當(dāng)在空載或輕載時，其ZVS難以實(shí)現(xiàn)， 同時此種方式要求換流期間變壓器原邊一直存 在環(huán)流，這也降低了變換器的整體效率。 而ZVZCS方式中，一般

44、在換流期間使變壓器 原邊的環(huán)流降為零并保持從而實(shí)現(xiàn)滯后臂的 ZCS開通和關(guān)斷。 光伏發(fā)電領(lǐng)域中的DC/DC變換器，由于系統(tǒng) 的特性，需要時刻尋優(yōu)太陽能電池的最大輸出 功率，這使得其輸出功率是依據(jù)輸入功率而變 化的，表現(xiàn)在負(fù)載側(cè)，則可認(rèn)為負(fù)載可以大范 圍波動。由以上的兩種軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)方式可得， 這里不宜采用完全的ZVS控制方式。為此，本 文著重對在功率輸出波動較大時仍能實(shí)現(xiàn)軟開 關(guān)ZVZCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行總結(jié)。 圖2.11為一族移相全橋ZVZCSDC/DC 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從圖中可看出，變壓 器原邊的結(jié)構(gòu)均相同，副邊采用了由電 感或電容與二極管構(gòu)成的輔助回路。這 些電路中開關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的工作原理

45、為:超前臂開關(guān)管S1、S3在關(guān)斷時通過其 上并聯(lián)的電容Cr1(Cr3)和諧振電感L，諧 振實(shí)現(xiàn)ZVS關(guān)斷，同時由于 自身的二極管在開通前續(xù)流導(dǎo)通而實(shí)現(xiàn) ZVS開通；圖(a)一(e)中滯后臂開關(guān)管 S2、S4實(shí)現(xiàn)ZCS原理相似，均通過副 邊不同的輔助回路的充放電，使開關(guān)管 關(guān)斷前Lr的能量完全釋放到負(fù)載側(cè)而實(shí) 現(xiàn)ZCS關(guān)斷，同時Lr的存在使開關(guān)管開 通實(shí)現(xiàn)ZCS。 圖2.11一族移相全橋 ZVZCSDC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 4、升壓型移相全橋ZVZCS DC/DC變換器 聯(lián)網(wǎng)逆變器系統(tǒng)和光伏水泵系統(tǒng)中，當(dāng)采用帶 隔離型的DC/DC變換器結(jié)構(gòu)時，一般均需要 DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)電壓泵升以滿足后級逆

46、變 時電壓等級要求。在三相大功率系統(tǒng)中， DC/DC變換器泵升電壓一般需達(dá)到500V以上。 顯然，在這種較高輸出電壓應(yīng)用時，前面討論 的各拓?fù)洳捎玫某Ｓ谜麟娐啡绨氩?、全波?全橋或同步(較低電壓輸出)中整流二極管均無 法滿足此電壓等級的要求。 為此本節(jié)在圖2.11移相全橋ZVZCS DC/DC 變換器電路的基礎(chǔ)上，針對較高輸出電壓 (500V)應(yīng)用，提出了一種升壓型移相全橋 ZVZCS DC/DC變換器拓?fù)洌⑦M(jìn)行了工作 原理和換流分析，給出了主要參數(shù)的計(jì)算和設(shè) 計(jì)原則。 1) 工作原理和換流分析 圖2.12(a)為這種升壓型移相全橋ZVZCS DC/DC變換器拓?fù)?，其?shí)現(xiàn)軟開關(guān)的原理相 似

47、于圖2.11(a) 電路。 圖2.1升壓型移相全橋ZVZCS變 換器主電路 為實(shí)現(xiàn)高電壓輸出，電路采用雙全橋串聯(lián)整流 結(jié)構(gòu)，即主變壓器T副邊采用兩個對稱繞組， 在分別接全橋整流電路后進(jìn)行串聯(lián)連接。此種 結(jié)構(gòu)連接使得整流二極管D1一D8上的最大電 壓嵌位在變壓器一個副邊最大輸出電壓上，而 電路的輸出電壓則為兩倍的整流電壓。同雙二 極管串聯(lián)的一個全橋整流電路相比，這種整流 電路能有效地解決一橋臂二極管的動態(tài)均壓問 題。 電路中，由D9、D10、C2組成的輔助電 路，滿足實(shí)現(xiàn)ZVZCS控制的同時，最大 限度地簡化了主電路結(jié)構(gòu)，同時輔助電 路中由于D10的導(dǎo)通嵌位，可使D9上的 最大耐壓嵌位在輸出電壓

48、上，從而也減 小了輔助電路中二極管的耐壓要求。 圖2.1升壓型移相全橋ZVZCS 變換器工作波形 以下為具體分析電路工作原理，在這之前，電 路應(yīng)作出如下假設(shè): 各開關(guān)管、二極管均為理想元件； 電感、電容、變壓器T均為理想元件且 Cr1=Cr2=Cr，變壓器匝比N1:N2:N2=1:n:n 濾波電感Lf值很大可近似看成電流源；電容 Cf值很大近似看成電壓源； 輸入電壓為Vs、輸出電壓為Vo。 圖2.13給出了不同開關(guān)狀態(tài)下的等效電 路，對照圖2.12(b)的各點(diǎn)波形， 各開關(guān)狀態(tài)的工作情況描述如下。 （1）開關(guān)狀態(tài)0 【t0時刻】，對應(yīng)于圖2.13(a)。S1己 導(dǎo)通，Lr分別通過負(fù)載側(cè)和D1D

49、8續(xù)流。 （2）開關(guān)狀態(tài)1 【t0t1】，對應(yīng)于圖2.13(b)。t0時刻，S4 導(dǎo)通，由于有Lr，原邊電流從零線性上升， S4實(shí)現(xiàn)零電流開通，流經(jīng)D2、D3、D6、D7 的電流下降，D1、D4、D5、D8的電流上升； 至t1時刻， D2、D3、D6、D7截止。原邊電 流為: （2一32） （3）開關(guān)狀態(tài)2 t1t2，對應(yīng)于圖2.13(c)。t1時刻， Lr與C2通過D10和Cr諧振直到t2時刻結(jié) 束；折算到主變壓器T原邊，諧振電路參 見圖2.14(a) 所示: （4）開關(guān)狀態(tài)3 t2一t3 ，對應(yīng)于圖2.13(d)。t2時 刻時C2上電壓充至VC2（t2）=VS- V0/2n并保持不變，此刻

50、D10關(guān)斷，原邊 向負(fù)載提供能量。 （5）開關(guān)狀態(tài)4 t3t4，對應(yīng)于圖2.13(e)。t3時刻， S1關(guān)斷，由于DS(CE)端并聯(lián)有Cr1， S1實(shí)現(xiàn)ZVS關(guān)斷，此刻Lr和Lf串聯(lián)，Lf 從副邊折算到原邊后電感量Lf /4n2，所 以Cr1、Cr3相當(dāng)于恒流充放電至t4。 （6）開關(guān)狀態(tài)5 t4一t5，對應(yīng)于圖2.13(f)。在t4時刻， 原邊不足以向副邊提供能量，C2通過Lf、 Cf、D9開始向負(fù)載提供能量，同時Cr1 繼續(xù)充電、Cr3放電至t5時刻。假設(shè) C2Cr時，折算到主變壓器T原邊，諧 振電路參見圖2.14(b)所示: （7）開關(guān)狀態(tài)6 t5-t6，對應(yīng)于圖213(g)。在t5時刻

51、，Crl 充電至VCr1(t5)=VS，而Cr3放電至Vr3(t5) =0，Lr中的電流開始通過變壓器原邊、S4、 Dr3續(xù)流并繼續(xù)向副邊提供能量，C2仍繼續(xù)向 負(fù)載供電。 在t5-t6中某一時刻開通S3，由于 有Dr3的續(xù)流鉗位，其實(shí)現(xiàn)ZVS開通。折算到 主變壓器T原邊，諧振回路參見圖2.14(c) 所 示: （8）開關(guān)狀態(tài)7 t6t7，對應(yīng)于圖2.13(h)。在t6時刻， 流過Lr的電流降為0，此時C2電壓為 VC2(t6)，C2繼續(xù)放電至t7時刻結(jié)束， VC2(t7) =0。折算到主變壓器T諧振回 路參見圖2.14(d)所示: （9）開關(guān)狀態(tài)8 t7一t8，對應(yīng)于圖2.13(a)。t7時刻開 始，D1一D8續(xù)流，變壓器原邊電流為零 并保持。當(dāng)t8時刻關(guān)斷S4，其實(shí)現(xiàn)零電 流關(guān)斷。 t8時刻，結(jié)束前半個周期的換流。下半 周期Lr開始與C2諧振，換流分析類似上 述。 2)主要參數(shù)設(shè)計(jì) 諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的合理匹配是能否大范圍 實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的關(guān)鍵，而濾波電感Lr的優(yōu) 化設(shè)計(jì)也將在能滿足濾波效果和使超前 臂ZVS易實(shí)現(xiàn)的同時，改善滯后臂ZCS 的范圍。 諧振電感Lr的設(shè)計(jì) Lr的大小是以能實(shí)現(xiàn)滯后臂開關(guān)管ZCS 開通為前提，在已知開關(guān)管開通時間ton， 要求(t10=t1-t0)ton。由公式2-32可 得: 諧振電容C2的設(shè)計(jì) 在半個開關(guān)周期中，要求C2實(shí)現(xiàn)