三繞組耦合電感實(shí)現(xiàn)變壓器的更高電壓增益

采用三繞組耦合電感、開(kāi)關(guān)電容技術(shù)和級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，該變換器可實(shí)現(xiàn)更高電壓增益。

變換器的輸入電感可有效降低輸入電流紋波，從而減小輸入電源應(yīng)力。此外，耦合電感的漏感能量由輸出端回收利用，提升效率的同時(shí)，能夠抑制開(kāi)關(guān)管的電壓尖峰，降低其電壓應(yīng)力。

詳細(xì)分析帶三繞組耦合電感的級(jí)聯(lián)型高增益功率變換器的工作原理，以及連續(xù)導(dǎo)通模式下變換器的穩(wěn)態(tài)性能。最后搭建一臺(tái)30V輸入、380V/0.3A輸出的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

隨著可再生能源滲透率不斷提高，光伏電池、燃料電池在其并網(wǎng)中發(fā)揮著愈加重要的作用。由于光伏電池、燃料電池單體輸出電壓低（小于50V），需經(jīng)高增益功率變換器升壓至直流高壓（通常為380V或760V），以滿(mǎn)足后級(jí)要求。傳統(tǒng)Boost變換器實(shí)際電壓增益有限，且電壓電流應(yīng)力高、效率低，無(wú)法滿(mǎn)足上述應(yīng)用要求[6]。

通常，提升變換器增益的方法主要有：變換器級(jí)聯(lián)、輸出串聯(lián)、采用耦合電感以及增加開(kāi)關(guān)電容。變換器級(jí)聯(lián)雖能有效提升電壓增益，但存在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式復(fù)雜等不足，且環(huán)路設(shè)計(jì)相對(duì)困難。

通過(guò)共用開(kāi)關(guān)管，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)型Boost變換器的電路拓?fù)浼翱刂?，然而?jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中器件數(shù)量仍較多，且器件電壓應(yīng)力高。為此，采用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，并引入開(kāi)關(guān)電容以進(jìn)一步提升電壓增益，降低器件電壓應(yīng)力，然而拓?fù)渲写判臄?shù)量較多、系統(tǒng)成本較高。變換器輸出串聯(lián)是另一種提升電壓增益的有效方案。

將Boost變換器和Flyback變換器的輸出串聯(lián)，并通過(guò)電感耦合和共用開(kāi)關(guān)管，實(shí)現(xiàn)高電壓增益的同時(shí)簡(jiǎn)化了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，]將變換器級(jí)聯(lián)與輸出串聯(lián)方式結(jié)合，提出了一種新的高增益拓?fù)洹?/p>

上述兩種變換器通過(guò)設(shè)計(jì)耦合電感的匝比，可對(duì)輸出電容電壓和二極管應(yīng)力進(jìn)行合理分配，且漏感能量由輸出端回收，但需要極高的電壓增益時(shí)，會(huì)存在磁心體積大、漏感大、器件應(yīng)力高、輸入電流紋波大等問(wèn)題。此外，有學(xué)者提出了三繞組耦合電感的高增益方案[21-23]，該方案在提高電壓增益的同時(shí)，能增加電壓增益調(diào)節(jié)的靈活性，器件電壓應(yīng)力分配也更加合理。

本文提出了一種帶三繞組耦合電感的級(jí)聯(lián)型高增益功率變換器。基于文獻(xiàn)[23]中的高增益方案，本文提出的變換器只需增加一個(gè)電感和一個(gè)二極管，在保留原有方案優(yōu)點(diǎn)的前提下，可實(shí)現(xiàn)更高電壓增益。

此外，相對(duì)于原方案的輸入電流斷續(xù)，新加入的電感能有效降低輸入電流紋波，減輕輸入電源應(yīng)力。同時(shí)，所提出的變換器將原方案中三路串聯(lián)輸出減少至兩路串聯(lián)輸出，可減小輸出電容的容量和體積，提高變換器的功率密度。

圖2本文提出的高增益功率變換器拓?fù)?/p>

圖3本文提出的高增益功率變換器等效電路

結(jié)論

本文提出了一種帶三繞組耦合電感的級(jí)聯(lián)型高增益功率變換器，并詳細(xì)分析其工作原理，最后設(shè)計(jì)并搭建樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明本文提出的變換器具有如下特點(diǎn)：

1）拓?fù)渲恍鑶蝹€(gè)開(kāi)關(guān)管，控制及驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單可靠。

2）采用三繞組的耦合電感、開(kāi)關(guān)電容技術(shù)以及級(jí)聯(lián)方式，實(shí)現(xiàn)了更高電壓增益。

3）通過(guò)合理設(shè)計(jì)三繞組耦合電感的匝比，可實(shí)現(xiàn)輸出電容和二極管電壓應(yīng)力的靈活分配。

4）漏感能量由輸出端回收，提升效率的同時(shí)，抑制了開(kāi)關(guān)管兩端的電壓尖峰，降低了開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力。因此，可選用低耐壓的高性能開(kāi)關(guān)器件，以進(jìn)一步提高變換效率。

5）輸入電感有效降低了輸入電流紋波，減小了輸入電源應(yīng)力，有利于延長(zhǎng)可再生能源系統(tǒng)中光伏電池和燃料電池的壽命。