单开关高增益升压变换器的仿真研究大学学位论文.docx

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单开关高增益升压变换器的仿真研究大学学位论文

摘要

小功率光伏或燃料电池发电系统，因为电池电压很低，通常需要电压增益高达10倍以上的直流变换器将其升压后经逆变器输出。

经典Boost变换器要实现高电压增益需宽占空比导通，然而宽占空比导通、高压输出下二极管反向恢复会造成严重的开关损耗及电磁干扰等问题；高匝比的反激变换器可以实现高电压增益，但在低压输入高压输出的场合原边匝数少，漏感大，需箝位电路限制开关器件电压应力，能量不能高效地传输。

主要研究内容如下：

阐述了Flyback-Boost非隔离型高增益直流变换器工作原理，并在此基础上给出了各个元器件的参数设计，对比传统Boost直流变换器的优缺点，保留了传统Flyback变换器器件数目少、电路结构简单的优点，同时又具有电压增益和效率高的特点，确定了基于串联技术直流变换器总体设计方案。

分析了直流-直流变换器的动态特性，并对直流变换器进行了建模，然后根据得到的模型设计了合适的PI控制器，减少了动态响应时间，提高了噪声抑制性能，增强了系统的稳态特性。

采用边界整定法试凑出满足要求的PID参数，给出了合理合乎指标要求的PID参数。

对基于串联技术的直流变换器不同的工作模式进行了仿真调试，测试了在不同条件下的输出电压、电流波形。

通过分析仿真结果，验证了该变换器的可行性，实现了高升压比和低纹波输出。

关键词：

高增益；反激升压；单开关管；低纹波

Abstract

Lowpowerphotovoltaicorfuelcellpowergenerationsystem,becausethebatteryvoltageislow,usuallyneedtodcconvertervoltagegainasmuchasmorethan10timesofitsboosteraftertheinverteroutput.ClassicBoostconvertertoachievehighvoltagegaincomparedtowideconduction,howeverwideunderthedutyratioconduction,highvoltageoutputdiodereverserecoverywillcauseseriousswitchinglossandemiproblem;Highturnratiooftheflybackconvertercanachievehighvoltagegain,butinplaceoflowvoltageinputhighvoltageoutputlesstheoriginaledgenumberofturns,theleakageinductanceofthebig,needtoclampcircuitlimitswitchvoltagestress,energyofeffectivetransmission.

Themaincontentsareasfollows:

elaboratedFlyback-Boostnon-isolatedDC-DCconverterworksinhighgain.Onthisbasis,thedesignparametersofvariouscomponentsiscalculated.ComparedtoadvantagesanddisadvantagesofthetraditionalBoostDC-DCconverter,thisdevicepreservestheadvantagestheoftraditionalFlybackconverterdevicewhicharelessnumbercomponents,smallandsimplecircuitstructure,butalsohasahighvoltagegainandefficiency.SoitdeterminesthisDCconverterbasedonthecascadetechnology.

AnalysisofDCconverterdynamiccharacteristic,andDCconverterismodeled.ItgetdesignPIfromcontrollertherightmodel,whichcanreducesthedynamicresponsetime,improvesnoiseimmunity,andenhancesthesystemSteadycharacteristic.BoundarysettingmethodisusedtomakethemeettherequirementsofPIDparameters,givesthereasonableindexrequirementsofPIDparameters.

BasedontheseriesofDCconvertertechnologydifferentmodesofsimulationdebugging,outputvoltageandcurrentwaveformsaretestedunderdifferentconditions.Byanalyzingthesimulationresults,thefeasibilityoftheconvertertoachieveahighboostratioandlowoutputripple.

Keywords:

highgain；Flyback_boost；single_switch；lowoutputripple

目录

第1章绪论1

1.1升压变换器的历史背景1

1.1.1开发新能源的紧迫性与可再生能源的开发1

1.1.2高增益变换器的现状2

1.1.3开关单元高增益直流变换器2

1.1.4耦合电感高增益直流变换器3

1.2传统的Boost变换器工作原理4

1.3Flyback电路工作原理6

1.4本文的研究内容及意义7

第2章Boost-flyback变换器8

2.1Boost-flyback变换器拓扑结构与工作过程8

2.1.1拓补结构及其工作原理8

2.1.2Boost-flyback拓扑工作过程分析9

2.2BoostDC-DC变换器模型11

2.3本章小结13

第3章电路参数计算及控制器设计14

3.1设计要求：

14

3.2.主电路参数设计计算14

3.2.2MOS管参数设计14

3.2.3滤波电容参数设计15

3.2.4电感值计算：

16

3.2.5Boost电路二极管设计16

3.3控制器设计16

3.3.1控制器的应用背景16

3.3.2控制器设计17

3.3.3PID参数整定口诀：

18

3.3.4试凑法求PI参数18

3.3.5试凑数据总结：

22

3.3.6基于边界整定法的经验公式：

22

3.4本章小结23

第4章主电路的仿真及结果分析24

4.1PSIM电力电子仿真软件24

4.2仿真输出结果及分析25

4.2.1仿真主电路25

4.2.2变化的输入电压，输出电压的响应曲线28

4.2.3负载突加的实验仿真波形29

4.3本章总结31

第5章总结与展望32

5.1全文总结32

5.2后期展望32

参考文献33

致谢37

第1章绪论

1.1升压变换器的历史背景

1.1.1开发新能源的紧迫性与可再生能源的开发

升压式DC—DC变换器在通信、电子、计算机等领域有着广泛的应用前景，光伏发电领域中光伏组件模块输出电压低，为了将直流母线电压提升到常规电压以用来并网逆变，用的直流变换器必须具备高电压增益的特点，变换器的变换效率与光伏发电系统发电效率息息相关，因此，研究适合用于小功率场合、达到高电压增益、高效率要求的直流变换器成了急待解决的问题。

许多学者为了解决这种新能源发电的高增益直流变换器出现的问题，提出了多种解决方案训。

研究和实践表明,直接由太阳辐射到地球上的能量非常丰富，分布广泛，可以再生，而且不污染环境，每40秒钟就有相当于210亿桶石油的能量，相当于全球一天所消耗的能源，所以太阳能是国际社会公认的不可再生能源的理想替代源。

全球发电业飞速发展，国际能源署预测：

2020年，世界光伏发电的量占总发电量的2%；到2040年，占总发电量的20%～28%。

在中国可再生能源中长期发展规划报告中明确提出：

到2010年，太阳能发电总容量达到30万kW，到2020年达到180万kW，到2050年将达到60000万kW。

相信随着光伏发电在中国的普及和推广应用，光伏发电系统的优化设计问题越来越受到社会的重视。

最为清洁的可再生资源太阳能，具有非常大的优势和丰富的开发利用底蕴。

从转换能量的方式，太阳能主要利用在个领域：

光热转换（太阳能热力发电、太阳能灶、太阳能热水器、太阳能海水蒸馏器、太阳能清洁能源房等）光电转换（光伏发电系统）和光化学转换（太阳能制氢、制氧等），其中最为主要的应用形式是利用太阳能光伏发电。

近年来，对于利用太阳能来光伏发电技术进行了很深入的研究，所以取得了前所未有的发展，通过太阳能的光伏并网发电成为利用太阳能的主要方式之一。

钻研利用光伏并网来发电的技术对延缓能源枯竭、促进生态环境和维持经济的可持续运转与发展具有重大理论和现实意义。

一般来说光伏阵列电池的输出电压比较小，必须经过DC-DC升压电路才能符合后级并网逆变器母线的标准。

因为要提高整个系统的效率，必须选有高增益、高效率的特点的前级变换器来实现。

图1-1实例原理演示图

1.1.2高增益变换器的现状

现广泛采用的升压变换器电路可分为两类：

一类是变压器隔离方式，典型电路是Boost升压电路和Flyback升压电路；另一类是非隔离的C耦合式或开关式电容，Boost电路的优点是可以是输入电流连续，并且在整个输入电压的正弦周期都可以调制，因此可以获得很高的功率因数，该电路的带你干电流即为输入电流，因而容易调节，同时开关管驱动信号与输出共地，股驱动简单，此外输入电流连续，开关管的电流峰值较小，因此对输入电压变化适应强。

但是孰能电感在Boost升压电路中起着极为关键的作用，一般而言，其电感值越大，匝数越多，阻抗就越大，这样就会容易引起电感饱和，发热量增加，严重威胁产品的寿命。

同时受到开关管电压应力、变换效率等因素，限制了电路体积的进一步减小，同时分布参数也制约了其效率的提高的限制；后者电路简单,能高效提供直流多路输出必须符合输出多组的要求，转换效率比较高,损失相对较小，比值较小的变压器匝数，输入电压可以很大的范围内波动,仍可有比较稳定的输出,目前已可在85~265V交流输入间.实现无需切换达到非常的稳定输出。

输出电压具有较大的纹波,不高的负载调整精度,所以输出功率得到限制,通常应用于150W以下；在电流连续下的转换变压器（ContinuousCurrentMode，CCM）模式下工作,有很大的直流分量,易引起磁芯饱和,可以在磁路中加入气隙来解决,从而使变压器体积偏大；变压器具有直流电流成份,会同时工作于CCM/DCM（DiscontinuousCurrentMode,DCM）两种模式下,故在设计变压器时非常困难,迭代过程较繁琐。

1.1.3开关单元高增益直流变换器

电感、电容作为储能元件，具有电源的性质，将开关管、二极管与储能元件相组合，构成开关单元，通过控制开关管导通/关断状态的切换，改变变换器中多个储能元件间的连接方式，可以达到高电压增益的效果。

根据储能元件的不同，可分为基本的开关电感升压变换器与开关电容升压变换器，图1.4（a）、1.4（b）分别为对应的拓扑结构。

（A）:

开关电感Boost变换器当开关管S开通时，两个电感L并联被输入电源Vi充电，而当开关管S关断时，两个电感L1、L2串联对负载释放能量。

该变换器有如下优点：

（1）电感电流的减小使可以用体积较的小单个电感；

（2）两个工作模态一致的电感，可以在一个磁芯之上放置；

（3）拓展了Boost变换器电压增益的特点。

而此变换器缺点主要体现在：

（1）因占空比不能过大的限制，该变换器的电压增益大部分情况不高于10倍；

（2）输出电压即为功率开关管的电压应力，这会给开关管带来非常大的导通电阻，因为具有较大的输入电流的高增益变换器，开关管会产生很大的导通损耗；

输出电压即为输出端的二极管电压产生的应力，在硬关断的条件下，具有较大的反向恢复损耗。

（B）:

开关电容型Boost变换器当开关管当S开通时，电容C2被充电，C1、C3对负载释放能量；开关管S关断，电容C2释放能量C1与C3被充电。

该变换器有如下优点：

（1）电压应力较低的变换器的功率开关管；

（2）承受较小的反向电压的输出侧二极管；

（3）比Boost的电压增益变换器高两倍；

（4）输出侧很多电容间具有自均压的能力。

该变换器缺点：

（1）受到占空比不能过大的限制，该电压增益一般不高于10；

（2）输入电流可以视为电感电流，考虑到变换器为低压大电流输入，具有较大体积的磁性器件；

（3）该变换器的功率开关管电流有效值过大，导通损耗的增大在一定程度上降低了整个系统的效率。

（a）开关电感Boost变换器（b）开关电容Boost变换器

图1-2输出侧多电容串联结构耦合电感高增益直流变换器

1.1.4耦合电感高增益直流变换器

同样的，耦合电感的副边绕组具有电源的性质。

与隔离型拓扑相似，增加耦合电感原副边绕组匝比n，即可获得较大的电压增益，按照输出侧滤波电容的连接方式的不同，耦合电感高增益直流变换器可以分为输出侧多电容结构耦合电感高增益直流变换器以及输出侧单电容结构耦合电感高增益直流变换器。

（A）:

输出侧多电容结构耦合电感高增益直流变换器将Boost变换器的滤波电感作为耦合电感的原边绕组，再将副边绕组整流输出并与Boost输出电容串联，可以得到输出侧多电容结构耦合电感高增益直流变换器拓扑族。

根据副边绕组整流形式的不同可以分为半波整流、半波倍压整流、全波整流、中心抽头整流、全波倍压整流结构。

图1.1（左）所示为耦合电感采用半波整流形式而衍生出的Boost-反激变换器的拓扑结构，变换器的输出电压为Boost电路与反激电路输出之和，增加耦合电感的匝比n，可以获得很大的电压增益。

随后，在Boost-反激变换器的基础上，图1.1（右）所示的Boost-全波整流变换器被提出，改进了半波整流结构在电压增益、输出二极管电压应力等方面的不足。

输出侧多电容结构耦合电感高增益直流变换器具有以下优点：

（1）开关管电压应力较低；

（2）无源箝位回路可以降低开关管电压应力，抑制电压尖峰；

（3）变换器电压增益可以通过提高耦合电感的匝比n进行扩展。

图1-3输出侧单电容结构耦合电感高增益直流变换器

输出侧多电容结构耦合电感高增益直流变换器的缺点则是：

（1）耦合电感副边整流二极管电压应力过大；

（2）功率开关管电流应力较大。

（B）:

输出侧单电容结构耦合电感高增益直流变换器

输出侧单电容结构耦合电感高增益直流变换器，合理的设置耦合电感的匝比n，可以获得较大的变换器电压增益，漏感的能量通过二极管D1以及箝位电容Cc实现无损的转移；在此基础之上，提出了有源箝位的单电容输出耦合电感高增益变换器可以实现功率开关管以及箝位开关管的零电压开关，提高了开关频率。

随后，多绕组耦合电感高增益变换器被提出，进一步扩大了电压增益。

此类变换器具有以下优点：

（1）开关管电压应力较低；

（2）利用箝位回路耦合电感漏感能量可以被无损的转移；

（3）变换器电压增益可以通过提高耦合电感的匝比n进行扩展。

而该类变换器的缺点则是：

耦合电感输出侧整流二极管电压应力过大。

1.2传统的Boost变换器工作原理

升压式变换器，是一种输出电压高于输入电压的单管非隔离直流变换器。

Boost电路的优点是可以是输入电流连续，并且在整个输入电压的正弦周期都可以调制，因此可以获得很高的功率因数，该电路的电感电流即为输入电流，因而容易调节，同时开关管驱动信号与输出共地，驱动简单，此外输入电流连续，开关管的电流峰值较小，因此对输入电压变化适应强。

但是储能电感在Boost升压电路中起着极为关键的作用，一般而言，其电感值越大，匝数越多，阻抗就越大，这样就会容易引起电感饱和，发热量增加，严重威胁产品的寿命。

同时受到开关管电压应力、变换效率等因素，限制了电路体积的进一步减小，同时分布参数也制约了其效率的提高的限制。

经典Boost变换器要实现高电压增益需宽占空比导通，然而宽占空比导通、高压输出下二极管反向恢复会造成严重的开关损耗及电磁干扰等问题；高匝比的反激变换器可以实现高电压增益，但在低压输入高压输出的场合原边匝数少，漏感大，需箝位电路限制开关器件电压应力，能量不能高效地传输。

图1-4传统Boost拓扑图

传统的Boost变换器的研究缺陷和如何改良：

开通期间，二极管的反向恢复电流易使开关管通过浪涌电流，导致开通损耗并成为EMI源。

关断期间由于电路电感的作用造成了非常高的尖峰电压，所以形成关断损耗并变成EMI源。

电压升压不可以太大，否则在电压较高输出时，开关管负担很高的电压。

普通的Boost电路造成电路很大损耗，严重的电磁干扰，可靠性不高，由于开关的频率持续升高，此现象会更加突出。

所以，在电路中必须解决此问题，最简单有效的方式是加上RC缓冲电路，但RC缓冲电路不能根本解决电路的开关损耗。

电压增益提高幅度与漏感和激磁电感的比值有关，漏感越大,电压增益也越高，也即BFC在克服反激变换器漏感问题的同时，利用变压器漏感提升了电压增益，这表明，同样的原边开关管电流应力，可以实现更大的输出功率；漏感还可以限制二极管电流的变化率，改善变换器电磁兼容特性；另一方面，漏感变大也会导致开关管电压应力升高，次Boost变换器的输出电压和传统的Boost变换器输出电压是一样小，因此，可以使用低电压范围和低电阻RDS（ON）的半导体场效应管（MOSFET），大大降低了传导损耗。

实际电路中，应综合考虑器件应力、电压增益等因素合理设计变压器。

1.3Flyback电路工作原理

Flyback主要用在250W以下的电路中，其中的变压器既有变压器的作用，也有电感的作用。

其有两种工作方式：

一种转换方式就是完全能量，即电感断续电流工作的状态；另一种转换方式是不完全能量，即电感连续电流工作状态。

工作过程：

当导通MOS管时，电源电流通过变压器的原边，原边电流增大，而副边因二极管D1的原因，电流大小为0，变压器增加磁心磁感应强度，变压器储存能量；当关断MOS管时，原边电流很快降成0，在反激作用下副边电流迅速增加到峰值，随后线性减小，此时原边由于关断开关管，电流为0，变压器磁心磁感应强度减小，变压器放能。

图1-5Flyback电路拓扑图

传统的Flyback变换器的研究缺陷：

反激电路比较简单，所以在中小功率领域被广泛使用，通过对匝比调整，反激变压器能达到高电压的增益，但在低压输入高压输出应用场合变压器原边匝数很少，导致变压器的漏感其占激磁电感比例明显变大，漏感会令变换效率下降，也会造成开关管关断电压尖峰偏高，最严峻时会击穿开关管，因此应用反激变压器不容易高效率地传输能量。

输出电压会有较大的纹波,负载调整精度不高,因此输出功率受到限制,通常应用150W以下。

转换变压器在电流连续模式下工作时,有较大的直流分量,容易使磁芯饱和,所以必须在磁路中加入气隙,磁力线在气隙附近会有散磁通，也就是漏磁，这部分散磁通会切割邻近的导线，从而改变了邻近导线的邻近效应，使得磁场分布发生改变，从而影响漏感，而且气隙也对漏感的影响较大。

变压器有直流电流成份,且同时会工作于CCM/DCM两种模式,故在设计变压器时较困难,反复调整次数较顺向式多,迭代过程较繁琐。

Boost-flyback升压变换器在功率开关管和功率二极管两端的电压较低，而且电压增益比较高，Boost-flyback升压转换器的耦合电感是电路输出端得到更高的电压；输出侧的电容可以断开缓冲器，抑制电压峰值；低额定电压的功率开关是用来减少输送损耗。

引入耦合电感、Boost、Boost组合变换等可以实现利用变压器漏感能量，并实现开关管关断电压降低，针对本设计的参数要求，Boost-flyback变换器是最合适的变换器。

该变换器Flyback变换器变压器原边电感和Boost变换器电感共用，Flyback变换器的开关管和Boost变换器开关管共用，Flyback变换器的输出和Boost变换器的输出串联，变压器漏感能量能够回馈到Boost变换器的输出，从而获得高增益高效率特性。

电路具有结构简单、开关器件电压应力减少的优点。

1.4本文的研究内容及意义

非隔离型高增益直流变换器可以实现高增益、高效率的功率变换，在新能源发电，工矿照明等场合都有广泛的应用，具有重要的研究意义。

为了获得高增益、高效率的直流变换器，本文的主要研究内容如下：

第一章介绍了课题的研究背景、研究意义，讲述了非隔离型高增益直流变换器的研究现状、研究热点与方向。

第二章首先介绍了Boost-flyback变换器的工作原理。

第三章对Boost-flyback变换器控制和主电路参数计算。

第四章对Boost-flyback进行电路仿真，分析仿真结果与理论计算对比。

第五章对全文进行了总结，并针对研究过程中存在的问题提出了工作展望。

第2章Boost-flyback变换器

2.1Boost-flyback变换器拓扑结构与工作过程

2.1.1拓补结构及其工作原理

图2-1-1拓补结构

Boost-flyback升压变换器在功率开关管和功率二极管两端的电压较低，而且电压增益比较高，Boost-flyback升压转换器的耦合电感使得电路输出端得到更高的电压输出；输出侧的电容可以断开缓冲器，抑制电压峰值；低额定电压的功率开关是用来减少输送损耗。

引入耦合电感、Boost、Boost组合变换等可以实现利用变压器漏感能量，并实现开关管关断电压降低，但拓扑和控制变得复杂。

本文基于Boost拓扑与反激拓扑的有机组合，研究一种新的高升压比、高效Boost-flyback（Boost-flyback-Conventer,BFC）变换器拓扑。

Boost与Flyback变换器输入级具有相同的结构，将两个变换器的输入级共用、输出级串联则构成了BFC，中Lp、Ls和Lk分别为变压器的激磁电感和漏感，NP和NS分别为变压器原副边绕组，且NS:

NP=n。

BFC中，D1相当于Flyback变换器的输出二极管，D1相当于Boost变换器的输出二极管，与反激变换器类似，通过改变变压器匝比可以提高输出电压增益，D1实现了主开关管的电压钳位，同时将变压器漏感能量传输到了输出侧。

采用输入并联输出串联结构可以进一步提高输出电压增益，同时减小输出电容的电压应力，减小输入输出电压或电流纹波，且有利于减小每个变压器的功率等级