摘要: 文章論述了基于Boost 型變換器的DC - DC、DC - AC、AC - DC 和AC - AC 變換器電路結(jié)構(gòu)及其演化過(guò)程,給出了各類變換器的電路結(jié)構(gòu)和拓?fù)鋵?shí)例、仿真與原理試驗(yàn)結(jié)果。理論分析、仿真和原理試驗(yàn)結(jié)果表明,Boost 型變換器在中大容量的DC - DC、DC - AC、AC - DC 和AC - AC 電能變換中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

　　0 　引　言

　　眾所周知,基本的非隔離和隔離Boost 型變換器由于具有電路拓?fù)浜?jiǎn)潔、輸入電流紋波小、可升壓、負(fù)載短路時(shí)可靠性高、輸出容量大等優(yōu)點(diǎn),因而廣泛應(yīng)用于中大功率的DC - DC 和PFC 變換場(chǎng)合。然而,非隔離和隔離Boost 型變換器用于DC2AC、AC2DC、AC2AC 電能變換及其電路結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程并非大家所熟悉。本文主要從基本的非隔離和隔離Boost 型變換器電路拓?fù)涑霭l(fā),論述了Boost 型變換器電路結(jié)構(gòu)及其演化過(guò)程。

　　該電路結(jié)構(gòu)演化過(guò)程的思路對(duì)于從事電力電子學(xué)電路拓?fù)涞难芯咳藛T將會(huì)起到較好的啟發(fā)作用。

　　1 　單向Boost 型DC-DC變換器

　　1. 1 　非隔離型

　　非隔離單向Boost 型DC-DC 變換器電路結(jié)構(gòu)與拓?fù)鋵?shí)例,如圖1 所示。該電路結(jié)構(gòu)是由輸入LC 濾波器、儲(chǔ)能電感、逆變器、整流器以及輸出濾波電容依序級(jí)聯(lián)構(gòu)成,是研究其它Boost 型變換器的基礎(chǔ),適用于輸出電壓高于輸入電壓的中大功率直流變換場(chǎng)合。

圖1 　非隔離單向Boost 型DC-DC變換器電路結(jié)構(gòu)與拓?fù)鋵?shí)例

　　1. 2 　隔離型

　　在圖1 所示電路結(jié)構(gòu)中的逆變器和整流器之間插入高頻變壓器,可派生出圖2 所示的隔離單向Boost 型DC-DC 變換器。

圖2 　隔離單向Boost 型DC-DC變換器電路結(jié)構(gòu)與拓?fù)鋵?shí)例

　　2 　雙向Boost 型DC-DC變換器

　　2. 1 　非隔離型

　　用有源開(kāi)關(guān)替代圖1 所示電路結(jié)構(gòu)中的整流器,可派生出圖3 所示的非隔離雙向Boo st 型DC-DC 變換器。與傳統(tǒng)的采用兩套單向Boost 型DC-DC 變換器實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)的方案相比,該電路結(jié)構(gòu)功率器件數(shù)量少、變換效率高、成本低。

圖3 　非隔離雙向Boost 型DC-DC變換器電路結(jié)構(gòu)與拓?fù)鋵?shí)例

　　2. 2 　隔離型

　　用有源開(kāi)關(guān)替代圖2 所示電路結(jié)構(gòu)中的整流器,或在圖3 所示電路結(jié)構(gòu)中的逆變器和整流器之間插入高頻變壓器,可派生出圖4 所示的隔離雙向Boost 型DC-DC 變換器。

圖4 　隔離雙向Boost 型DC-DC變換器電路結(jié)構(gòu)與拓?fù)鋵?shí)例

　　3 　雙向Boost 型DC2AC變換器

　　3. 1 　非隔離型

　　將兩個(gè)圖3 所示的非隔離雙向Boo st 型DC-DC變換器輸入端并聯(lián)、輸出端反向串聯(lián)就可派生出圖5所示的差動(dòng)非隔離雙向Boost 型DC2AC 變換器。

　　兩個(gè)變換器分別輸出具有相同直流偏置的正弦脈動(dòng)直流電壓uo1 與uo2 ,負(fù)載上可得到高質(zhì)量的正弦輸出電壓uo = uo1 - uo2 。

　　仿真實(shí)例:輸入電壓Ui = 40～60 V DC ,輸出電壓Uo = 110 V 50 Hz AC ,額定容量S = 250 VA ,開(kāi)關(guān)頻率Fs = 50 kHz ,輸入儲(chǔ)能電感L1 = L2 = 250μH ,輸出濾波電容Cf1 = Cf2 = 100 μF。感性負(fù)載時(shí)變換器仿真波形如圖6 所示。

圖5 　差動(dòng)非隔離雙向Boost 型DC2AC變換器電路結(jié)構(gòu)與拓?fù)鋵?shí)例

(a) 　儲(chǔ)能電感電流iL1和iL2

　　(b) 　輸出濾波電容u01和u02

　　(c) 　輸出電壓uo 、負(fù)載電流io

圖6 　差動(dòng)非隔離雙向Boost 型DC2AC變換器電路拓?fù)鋵?shí)例感性負(fù)載時(shí)仿真波形

　　3. 2 　隔離型

　　將兩個(gè)圖4 所示的隔離雙向Boost 型DC-DC變換器輸入端并聯(lián)、輸出端反向串聯(lián)就可派生圖7 所示的差動(dòng)隔離雙向Boost 型DC2AC變換器。兩個(gè)變換器分別輸出具有相同直流偏置的正弦脈動(dòng)直流電壓uo1與uo2 ,負(fù)載上可得到高質(zhì)量的正弦輸出電壓uo = uo1 - uo2 。

　　設(shè)計(jì)實(shí)例:輸入電壓Ui = 18/ 27/ 32 VDC ,輸出電壓Uo = 115 V 400Hz AC ,額定容量S = 500 VA ,開(kāi)關(guān)頻率Fs = 50 kHz ,高頻變壓器匝比N2 / N1 = 2. 5 , N3 / N1 =0. 2 。差動(dòng)隔離雙向Boost 型DC2AC 變換器拓?fù)鋵?shí)例阻性負(fù)載時(shí)原理試驗(yàn)波形,如圖8 所示。原理試驗(yàn)波形表明,變換器輸出電壓波形質(zhì)量高,THD < 1 %。

(a) 　電路結(jié)構(gòu)

(b) 　拓?fù)鋵?shí)例

圖7 　差動(dòng)隔離雙向Boost 型DC2AC變換器電路結(jié)構(gòu)與拓?fù)鋵?shí)例

圖8 　差動(dòng)隔離雙向Boost 型DC2AC變換器拓?fù)鋵?shí)例阻性負(fù)載時(shí)原理試驗(yàn)波形

　　用周波變換器替代圖4 電路結(jié)構(gòu)中副邊有源開(kāi)關(guān),可派生出圖9 所示的隔離雙向Boost 型DC2AC 變換器。由于Boost 型變換器只能升壓、而不能降壓,所以無(wú)法得到輸出電壓下降且| uo | < Ui N2 / N1期間的輸出正弦波形。在輸出負(fù)載與輸入直流電源之間增設(shè)高頻電氣隔離反激式變換器能量回饋電路,是為了確保該期間正弦輸出波形質(zhì)量。

　　設(shè)計(jì)實(shí)例:輸入電壓Ui = 270 V ±10 %V DC ,輸出電壓Uo = 115 V 400 Hz AC ,額定容量S = 1 kVA ,負(fù)載功率因數(shù)為- 0. 75～1. 0～ + 0. 75 ,開(kāi)關(guān)頻率Fs= 50 kHz ,高頻變壓器T 匝比N1 / N2 = 3. 48 ,耦合系數(shù)為0. 99 ,輸入儲(chǔ)能電感L = 50μH ,輸出濾波電容Cf= 35μF ,高頻儲(chǔ)能式變壓器Ta原副邊電感的比值L1 /L2 / L3 = 1/ 200/ 200 ,耦合系數(shù)為0. 99 。變換器容性負(fù)載時(shí)的仿真波形,如圖10 所示。

(a) 　電路結(jié)構(gòu)

(b) 　拓?fù)鋵?shí)例

圖9 　隔離雙向Boost 型DC2AC變換器電路結(jié)構(gòu)與拓?fù)鋵?shí)例

(a) 　輸出電壓uo 、誤差電壓ue 、電感電流iL                        　　(b) 　高頻變壓器Ta原副邊電流

圖10 　隔離雙向Boost 型DC2AC變換器拓?fù)鋵?shí)例容性負(fù)載時(shí)仿真波形

　　4 　雙向Boost 型AC2DC變換器

　　將圖3 所示電路結(jié)構(gòu)中的逆變器去掉,可派生出圖11 所示的雙向Boost 型AC2DC 變換器。該變換器可工作在整流和逆變兩種狀態(tài)。

圖11 　雙向Boost 型AC2DC變換器電路結(jié)構(gòu)與拓?fù)鋵?shí)例

　　5 　雙向Boost 型AC2AC變換器

　　5. 1 　非隔離型

　　用周波變換器替代圖3 電路結(jié)構(gòu)中的有源開(kāi)關(guān),就可以派生出圖12 所示的非隔離雙向Boost 型AC2AC 變換器 。該電路結(jié)構(gòu)由輸入濾波器、儲(chǔ)能電感、輸入周波變換器、輸出周波變換器以及輸出濾波電容構(gòu)成,具有電路拓?fù)浜?jiǎn)單、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高、網(wǎng)側(cè)電流諧波含量小、變換效率高、濾波器體積重量小、動(dòng)態(tài)性能好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

　　5. 2 　隔離型

　　用周波變換器替代圖4 電路結(jié)構(gòu)中的有源開(kāi)關(guān),或在圖12 所示電路結(jié)構(gòu)中的輸入周波變換器和輸出周波變換器之間插入高頻變壓器,可派生出圖13 所示的隔離雙向Boost 型AC2AC 變換器。

　　設(shè)計(jì)實(shí)例:輸入電壓Ui = 220 V 20 % 50 Hz AC ,輸出電壓Uo = 220 V 50 Hz AC , 額定容量S = 1kVA ,開(kāi)關(guān)頻率Fs = 50 kHz ,負(fù)載功率因數(shù)為0. 75～1. 0～ + 0. 75 ,高頻變壓器匝比N1 / N2 = 28/ 10 ,儲(chǔ)能電感L = 700μH ,輸出濾波電容Cf = 6. 6 μF。隔離雙向Boo st 型AC2AC 變換器拓?fù)鋵?shí)例阻性負(fù)載時(shí)原理試驗(yàn)波形,如圖14 所示。原理試驗(yàn)波形表明,變換器輸出電壓波形質(zhì)量高, THD = 1. 8 %。

圖12 　非隔離雙向Boost 型AC2AC變換器電路結(jié)構(gòu)與拓?fù)鋵?shí)例

(a) 　電路結(jié)構(gòu)

(b) 　拓?fù)鋵?shí)例

圖13 　隔離雙向Boost 型AC2AC變換器電路結(jié)構(gòu)與拓?fù)鋵?shí)例

圖14 　隔離雙向Boost 型AC2AC變換器拓?fù)鋵?shí)例阻性負(fù)載時(shí)原理試驗(yàn)波形

　　6 　結(jié)　論

　　非隔離、隔離Boost 型變換器不但可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)DC-DC、AC2DC 電能變換,而且還可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)DC2AC、AC2AC 電能變換。從基本的非隔離和隔離Boo st型變換器電路拓?fù)淇梢匝莼?、派生出一系列用于不同電能變換的電路結(jié)構(gòu)和拓?fù)?文中給出了部分仿真和試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)于從事電力電子學(xué)拓?fù)溲芯康娜藛T具有重要參考價(jià)值。