基于脉冲频率调制的高增益隔离型软开关直流变换器

2019年1月电工技术学报Vol.34 No. 2 第34卷第2期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jan. 2019

DOI: 10.19595/ki.1000-6753.tces.171194

基于脉冲频率调制的

高增益隔离型软开关直流变换器

章治国1,2刘俊良2郭强1陈艳1

（1. 重庆理工大学重庆市能源互联网工程技术研究中心重庆 400054

2. 重庆邮电大学自动化学院重庆 400065）

摘要提出一种基于脉冲频率调制（PFM）的高增益隔离型软开关直流变换器，该变换器在反激变换器基础上，集成了有源钳位单元和准倍压结构，在实现高增益的同时，所有功率管均具有软开关的特性，且电路结构简单。与脉宽调制（PWM）方式相比，采用PFM的控制方式进一步降低了功率管上的电流应力，有助于提升变换器效率。详细分析PFM方式下的高增益软开关变换器拓扑的工作原理及其特性，并对PFM和PWM的策略及特性分别进行分析比较，最后搭建一台160W、45V/380V的实验样机，验证了理论分析的正确性和有效性。

关键词：高增益软开关脉冲频率调制零电压开通零电流关断

中图分类号：TM46

A High Step-Up Isolated Soft-Switching DC-DC Converter with

Pulse Frequency Modulation

Zhang Zhiguo1,2 Liu Junliang2 Guo Qiang1Chen Yan1

（1. Energy Internet Engineering Research Center of Chongqing City

Chongqing University of Technology Chongqing 400054 China

2. College of Automation Chongqing University of Posts and Telecommunications

Chongqing 400065 China）

Abstract A high step-up isolated soft-switching DC/DC converter with pulse frequency modulation (PFM) was presented in this paper. The converter integrates a flyback converter with active clamp and similar voltage multiplier cells, and all the transistors have soft-switching. The structure of this proposed converter is simple and easy to achieve high voltage gain. At the same time, compared with the pulse width modulation (PWM) mode, the control mode of PFM modulation further reduces the power tube on the current stresses, which helps to improve the converter’s efficiency. The operation principles and characteristics of the proposed converter were analyzed in detail, and the two control strategies were compared. Finally, a 160W, 45V/380V laboratory prototype circuit was implemented to verify the effectiveness and accuracy of the theoretical analysis.

Keywords：High step-up, soft-switching, pulse frequency modulation, zero voltage switching (ZVS), zero current switching (ZCS)

国家自然科学基金（51607020）和重庆市教委科学技术研究（KJ1709209、KJ1600944）资助项目。

收稿日期 2017-08-18 改稿日期 2017-10-23

第34卷第2期章治国等基于脉冲频率调制的高增益隔离型软开关直流变换器 297

0引言

随着能源危机和环境问题的日益突出，越来越多的国家已致力于发展新型绿色能源。太阳能由于具有零污染、无噪声、设备安装方便以及潜能巨大的优点，在全世界范围内已被广泛应用，预计在2020年，全球太阳能发电装机容量将会达到489.8GW[1]。对于光伏系统而言，光伏逆变器起着将直流电能转换成交流电能的作用，以便并网发电或直接供给本地负载。光伏逆变器从容量上讲一般可分为集中式逆变器、组串式逆变器和微逆变器。微逆变器的功率等级通常为100～300W，因其输出易于扩展，抗阴影性好，每个面板可以单独设计以及易于安装等优点，已逐渐成为未来光伏系统的主要形式。两级式微逆变器由于设计和控制简单而被广泛应用在光伏系统中[2,3]。图1为常见的两级式微逆变器的结构框图，前级为DC-DC升压变换器，后级为DC-AC 逆变器。光伏模块的输出电压通常较低，一般为33～50V[4]。而光伏微逆变器DC-AC级的输入电压通常需要达到350～400V，以便有效进行逆变并网，因此，前级DC-DC变换器需具有较高电压增益。高增益的DC-DC变换器应用广泛，不仅可以应用在两级式的微逆变器中，也被广泛应用在燃料电池电动汽车和不间断电源（Uninterruptible Power Supply, UPS）领域中[5]。

图1 两级式微逆变器结构框图

Fig.1 Structure diagram of two stage micro inverter

高增益直流变换器有隔离型和非隔离型两种。对于非隔离型高增益DC-DC变换器而言，有较多方法可实现，如利用耦合电感[6-8]、变换器级联[9,10]、开关电容[11,12]和倍压单元[13,14]等。此类方法已有较多研究，它在获得高增益的同时，还具有高效率和高功率密度的特点。但是，太阳光伏板与大地之间形成的寄生电容为漏电流提供了通道，基于输入输出电气隔离和安全的需要，微逆变器常需要带有电气隔离的高增益直流变换器[15]。隔离型变换器中反激变换器以其电路结构简单、元器件少且输入输出隔离等优点在中小功率领域获得了广泛关注，通过调整反激变压器匝比可实现高电压增益。然而，变压器的漏感较大，从电源到负载的能量传输效率低。针对这个问题，有学者对反激变换器进行改进。在文献[16]中，所提出的变换器由反激变换器和倍压单元组成，利用较小的匝比就可实现较高的电压增益，避免了反激变压器漏感较大的问题，但其所有开关管处于硬开关状态。为进一步提高变换器效率和功率密度，G. Spiazzi等通过引入新的辅助电路，但造成变换器拓扑结构复杂，而且输出二极管仍处于硬开关状态[17-19]。

本文提出一种脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation, PFM）的隔离型高增益软开关直流变换器，该变换器在反激变换器的基础上，集成了有源钳位单元和准倍压结构：有源钳位单元实现了变压器一次侧开关管的零电压开通（Zero Voltage Switching, ZVS），同时利用变压器的漏感和准倍压结构形成谐振电路，使变压器二次侧二极管具有零电流关断（Zero Current Switching, ZCS）的能力，所有功率管均处于软开关状态。另外，该变换器在变压器一次侧开关管导通和关断期间均能向二次侧传递能量，因而磁心利用率高。相对于PWM方式，采用PFM控制，可以有效降低功率管上的电流应力，提升变换器效率。下面首先介绍该变换器的电路拓扑和其工作原理，然后对其性能进行分析，并对PFM和PWM策略及特性分别进行分析比较，最后搭建一台160W、45V/380V的实验样机，验证了理论分析的正确性和有效性。

1电路拓扑及其工作原理

本文提出的隔离型高增益软开关DC-DC变换器如图2所示。图中，V g为输入电压源，MOSFET 管S2和复位电容C r构成有源钳位，电容C oss为MOSFET管S1的寄生电容，变压器一次、二次侧匝比为1∶n，L lk为变压器漏感，L m为变压器的励磁电感，C s为谐振电容，VD o1和VD o2为输出二极管，R

图2 隔离型高增益软开关DC-DC变换器Fig.2 Isolated high step-up DC-DC converter with

soft-switching