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一种具有连续输出电流的单开关改进二次型Buck-Boost变换器

2024-11-21 108 上传者：管理员

摘要：针对太阳能光伏发电、燃料电池等需要高增益直流电源的特点，引出了具有连续输出电流的高增益改进二次型Buck-Boost变换器。介绍了该改进变换器的工作原理及稳态特性，另外在多个方面将改进变换器与其他变换器进行了比较，由比较参数显示了改进变换器的优良特性。最后利用PSIM仿真软件建立了改进变换器仿真模型，从降压和升压的角度对改进变换器进行了仿真实验分析，从实验分析的结果来看，改进变换器性能较好，验证了其理论分析的正确性。

关键词：
单开关
电压增益
纹波电流
连续输出电流
降压和升压
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近年来，高升压的直流变换器在航空、分布式光伏发电系统和不间断电源系统等领域的应用越来越多[1-7]。传统的一次型Buck-Boost变换器只有在占空比接近于0的情况下才有可能获得所需的电压值，但是这一点由于实际工作环境的限制而难以实现[8-10]。因此，探索新的Buck-Boost变换器拓扑结构，提高变换器电压增益以满足工业应用中日益增长的需求是非常重要的。

近年来，各种Buck-Boost变换器都得到了改进，具有较高的升压能力，以满足其高压增益的需求。文献[11]提出的变换器最大的缺点是只能实现降压功能。文献[12-14]的变换器虽然可以通过改变占空比来实现二次型升压和降压功能，但开关管个数的增加使得其控制较为复杂。文献[15]提出的新型变换器使用的元器件个数较多，功率损耗较大。文献[16]提出的变换器虽然只用一个开关管，但其输入、输出电流均不连续。

针对上述Buck-Boost变换器的不足之处，文中引出了一种单开关改进二次型Buck-Boost变换器。该改进变换器可以得到较高二次型输出端电压，且输出端的电流在整个周期内都是处于连续状态，使得输出纹波电压减小；只有一个开关管，减少了控制电路的复杂性；输出电压极性为正，解决了常见的接地问题等优点。

1、改进二次型Buck-Boost变换器特性分析

本文所提出的改进的二次型Buck-Boost变换器拓扑结构图如图1所示，从图1中可以看出，该变换器包括电压倍增单元和低通滤波单元。C2～C3和D3～D4这四个器件构成了电压倍增单元，L3和C0组成了低通滤波部分。从图1的拓扑结构可以看出。为了分析改进变换器稳定状态下的优良特性，假设变换器中电感取值足够大且电容满足C2=C3=C。

图1 改进二次型Buck-Boost变换器原理图

图2 改进二次型Buck-Boost变换器等效电路图

在开关管S处于开通状态时，图2(a)是此状态下的等效电路。由图2(a)可以看出，二极管D1、D3、D4关断，二极管D2导通。L1由Vi和C1共同供电，而L2能量仅有Vi提供；C2、C3串联起来和Vi共同为L3和RL供电。根据此状态下原理可得：

开关管S处于关断状态时，图2(b)是此状态下的等效电路。此时二极管D1、D2、D3导通，二极管D2截止，L2经D1给C1充电，电容C2、C3并联被充电，可得VC2=VC3=VC，与此同时，电感L3向负载和电容C3供电。根据此状态下工作原理可得：

对变换器电路中的电感应用伏秒平衡原理并结合VC2=VC3=VC，由公式(1)、公式(2)可得：

式(3)中，D表示开关管的占空比。由(3)式可得，改进二次型Buck-Boost变换器的电压增益为：

由式(4)表达式得到的改进变换器可以获得更高的升压。

1.1 电感电流及纹波分析

由公式(1)可得变换器电路中电感L1～L3的纹波电流为：

式(5)中，Ts=1/fs。

对变换器电路中电容C0～C3应用安秒平衡原理，同时结合式(1)、式(2)可得变换器中电感的平均电流为：

由式(5)和式(6)得电感L1～L3的最小电流分别为：

由式(7)得当变换器中所有电感工作于连续状态时，电感L1～L3值应满足：

1.2 开关器件的电压电流应力分析

(1）开关器件电压应力分析

由开关管S关断状态得S的电压应力VS为：

同理可得二极管D1～D4电压应力VD1～VD4为：

(2）开关器件电流应力分析

由模式一可得开关管S平均电流IS为

同理可得变换器中二极管的电流应力为：

1.3 电容纹波电压分析

由变换器工作原理及公式(1)分析可知，电容电压纹波电压为:

2、改进变换器与现有变换器的比较

改进变换器与其他变换器对比结果如表1所示。从表1得所提改进变换器电压增益最高，且输出电流工作于连续状态。与文献[11]变换器相比，本文给出的改进变换器可以实现更高的升压，而文献[11]变换器不能实现，其只能实现降压。与文献[12]变换器相比，虽然所提改进的变换器器件数量稍多，但本文给出的改进变换器需要的开关管只有1个，而文献[12]变换器则需2个开关管，开关管数量的减少使得控制和驱动能量大为减轻。所提改进的变换器与文献[16]变换器相比，所提改进的变换器输出电压极性为正，解决了接地问题，同时本文给出的改进变换器输出端的电流在整个周期内都是处于连续状态，加上其输出端的低通滤波电路，可以进一步减小了输出端的电压纹波。

表1 变换器之间的比较

由上述对比结果可得所提改进变换器具有高电压增益、连续输出电流、低输出电压纹波和正极输出电压特性。

3、仿真实验结果分析

在PSIM工作区搭建了改进变换器的模型电路，同时对该拓扑进行了参数设置，其参数值如表2，根据设置参数从升压和降压两种状态对变换器进行了实验测试。

表2 仿真与实验参数

图3显示了占空比D=0.4，负载RL=50Ω时变换器在升压状态下的工作波形图。由图3(a)得变换器中的所有电感均工作于连续状态，iL1、iL2、iL3的平均电流分别为1.63 A、2.69 A和0.7 A，其纹波电流值分别为0.35 A、0.28 A和0.34 A。iL1、iL2、iL3的电流平均值及纹波电流值和式(6)、式(5)理论值一致。由图3(b)得二极管D1～D4的电压应力值分别为13.8 V、20 V、33.4 V、33.4 V，此仿真值和公式(11)计算结果一致。由图3(c)波形得变换器中电容C0～C3电压纹波值分别为0.04 V、0.13 V、0.12 V、0.12 V，该仿真值等于式(13)中的理论计算值。由图3(d)波形得电容C0～C3平均电压值与式（3）计算出来的理论值相照应。

同理于升压模式，图4显示了占空比D=0.2，负载RL=10Ω时，变换器工作于降压下波形图。图4(a)中iL1、iL2、iL3的平均电流分别为1.58 A、1.97 A和1.05 A，电感L1～L3电流纹波分别为0.13 A、0.15 A和0.12 A。图4(b)中二极管D1～D4的电压应力分别为3.8 V、15 V、18.8 V、18.8 V。图4(c)中得变换器中电容C0～C3电压纹波值分别为0.015 V、0.063 V、0.09 V、0.09 V。图4(d)中的变换器中电容C0～C3的电压平均值分别为10.5 V、3.0 V、6.75 V、6.75 V。此图4中的仿真值与相应式（6)、式(5)、式(10)、式(9)、式(13)、式(3)的理论计算相吻合。

图3 改进二次型Buck-Boost变换器在占空比D=0.4升压状态下波形

图4 改进二次型Buck-Boost变换器在占空比D=0.2降压状态下波形

为了验证改进变换器优于文献[16]二次型BuckBoost变换器,在占空比均为D=0.4的情况下，所提改进变换器与文献[16]二次型Buck-Boost变换器输出电压波形如图5所示（Vi表示输入电压，Vo1表示文献[16]变换器的输出电压，Vo2表示所提变换器的输出电压）。从图5中输出电压波形可以看出，同等占空比情况下，改进变换器电压增益高于文献[16]变换器的电压增益。

图5 两种变换器输出电压及输入电压波形图

为了说明改进变换器输出纹波及开关管电压应力优于文献文献[16]二次型Buck-Boost变换器，在同等输出电压为21.3 V的情况下，改进变换器占空比为0.313，文献[16]变换器的占空比为0.4，两种变换器输出电压纹波如图6所示（Vo1表示文献[16]变换器输出电压纹波，Vo2表示所提变换器输出电压纹波），由图6可以看出在等输出电压下，改进变换器输出电压纹波为26 mV，而文献[16]变换器输出电压纹波为155 mV，文献[16]变换器输出电压纹波是所提变换器输出电压纹波的近6倍。图7(Vs1表示文献[16]变换器开关管电压应力，Vs2表示所提变换器开关管电压应力）给出了两种变换器在同等输出电压下开关管电压应力波形图，由图7波形对比可得文献[16]变换器开关管电压应力为33.4 V,而改进变换器开关管电压应力为25.3 V，改进变换器开关管电压应力明显低于文献[16]变换器开关管电压应力。从上述电压增益、输出电压纹波及开关管电压应力对比可得改进变换器优于文献[16]变换器。

图6 两种变换器输出电压纹波波形图

图7 两种变换器开关管电压应力波形图

4、结束语

针对目前可再生能源系统对高增益DC-DC变换器的需求，本文引出了一种单开关高增益改进二次型BuckBoost变换器。介绍了改进变换器的工作原理及稳态特性，并将改进变换器与现有变换器进行了多方面比较，对比结果显示了改进变换器的优点。用PSIM软件从降压和升压的角度对改进变换器进行了仿真实验分析，从实验分析的结果来看，证明了该改进的二次型Buck-Boost变换器理论分析的正确性和具有高电压增益、输出电压纹波小及开关管电压应力低等优点。

参考文献:

[3]朱高中,刘树林,王成.一种高增益低输出纹波电压的二次型Buck-Boost变换器[J].西安科技大学学报,2021,41(4):755-764.

基金资助:国家自然科学基金项目(51777167);2020国家级大学生创新创业训练项目(S202010723024);

文章来源:朱高中,岳金金.一种具有连续输出电流的单开关改进二次型Buck-Boost变换器[J].自动化技术与应用,2024,43(11):1-5+18.