一种基于Sepic的新型高增益DC/DC变换器
高双，赵世伟，张龙威，李江荣
(华南理工大学电力学院，广东广州510641)
摘要：为了解决Boost变换器在极限占空比情况下才能获得高电压增益这一缺点，在传统的Sepic变换器基础上提出一种新型的高增益变换器。该变换器保留了Sepic变换器输入电流连续等优点，通过引入无源钳位电路，降低了开关管的电压应力，同时由于耦合电感的漏感与电容发生谐振，有效减弱了二极管反向恢复问题的影响。详细分析了变换器在每个开关模态的工作过程，推导出变换器的电压增益表达式和开关器件的电压应力。制作一台100W 的实验样机，通过实验验证了理论分析的正确性。 关键词：Sepic变换器；高增益；无源钳位：谐振
中图分类号：TN86文献标识码：A DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.200941
中文引用格式：高双，赵世伟，张龙威，等.一种基于Sepic的新型高增益DC/DC变换器[J].电子技术应用，2021,47(5)：108-111116.
英文弓I用格式：Gao Shuang,Zhao Shiwei,Zhang Longwei,et al.A novel high step-up DC/DC converter based on Sepic[J].Application of Electronic Technique,2021,47(5)：108-111,116.
A novel high step-up DC/DC converter based on Sepic
Gao Shuang,Zhao Shiwei,Zhang Longwei,Li Jiangrong
(School of Electric Power Engineering,South China University of Technology,Guangzhou510641,China)
Abstract:In order to solve the shortcoming that Boost converter can obtain high voltage gain under the limit duty cycle,a new type of high-gain converter is proposed on the basis of the traditional Sepic converter.The converter retains the advantages of the continuous input current of the Sepic converter,by introducing a passive clamp circuit,the voltage stress of the switch tube is reduced,at the same time,the leakage inductance and the capacitor in the circuit have a resonance process,effectively reducing the impact of the diode reverse recovery problem.The working process of the converter in each switching mode was analyzed in detail, the voltage gain expression of the converter was deduced,and the voltage stress of the switching device were calculated.A100W experimental prototype was made,and the correctness of the theoretical analysis is verified through experiments.
Key words:Sepic converter；high step-up；passive clamping；resonance
0引言
近年来,DC/DC变换器广泛应用在多种工业领域中。例如在可再生能源的直流微网系统中，太阳能光伏板、燃料电池等微源都需要通过DC/DC变换器与直流母线相连接［i」。然而光伏电池和燃料电池这些微源提供的直流电压较低，要达到较高的电压增益，必须要求传统的Boost变换器工作在极大的占空比下，这样不仅会使得开关损耗增加，而且不利于Boost变换器的长期工作［5-8」。文献［9-11］在传统的Boost变换器基础上引入开关电容与开关电感单元虽然在一定程度上提高了电压增益但是所提升的电压增益有限并且所用元器件数量较多，成本高且不利于控制。除了在传统的Boost变换器基础上改进得到高增益的DC/DC变换器拓扑以外,Sepic变换器以输入与输出同相、输入电流连续等优点也逐渐应用于可再生能源系统中。文献［12-13］通过将耦合电感与有源开关电感单元与传统的Sepic变换器相结合提高了变换器的电压增益但是所用开关器件与电感数量较多，不利于变换器体积的小型化且变换器的控制设计较困难。本文在文献［14］的基础上提出了一种新型的Sepic高增益DC/DC变换器，将无源钳位电路和耦合电感单元引入传统的Sepic变换器中，所提出的变换器具有电压增益高、输入电流连续且纹波小、二极管反向恢复问题轻等优点，并且只使用一个开关管，其结构和控制方法较简单。
1变换器工作原理
1.1电路拓扑
所提出的变换器等效电路结构图如图1所示，耦合电感等效为理想变压器与励磁电感并联后再与漏感串联，匝比N=N s/N p，耦合系数k=L m/(L m+L k)，其中L m为励磁电感,L k为漏感。为了便于分析变换器的工作原理,
图1所提变换器等效电路原理图
D 2
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做以下假设：(1)所提变换器工作在电流连续模式下；
(2)开关管与所有二极管均为理想器件；(3)所有的电
容值足够大，其电压纹波值视为零。
1.2工作原理
梨花化妆品当变换器工作在稳态时 元件在一个开关周期内的
工作波形如图2所示，各个开关模态的等效电路如图3 所示。
(c)开关模态3
开关模态1 [t 0<t<t 1]：在t o 时刻，开关管Q 处于零电
流开通状态，二极管D 1、D 2导通，二极管D c 、D 。关断。耦 合电感的漏感电流山上升，二次侧电流厶下降，当厶
下降到零时，此时励磁电感电流值与漏感电流值相等, 模态 1 结束。
开关模态2[t 1<t<t 2]：在t 1时刻，开关管Q 、二极管D 。
导通，二极管D 1、D 2、D 。关断。钳位电容C c 在给励磁电感 提供能量的同时还为电容C 充电，此时电容C 2、C 3放电 为负载提供能量。在此模态中，漏感与钳位电容C 。、电 容C 1之间发生谐振，此时可以得到如下等式：
(d)开关模态I I I Kinfl
I I I
匕
4
D 2
D ()
(1)
式中f 表示谐振频率。
开关模态3 [t 2<t<t 3]：在t 2时刻，开关管Q 、二极管 D 1、D 2关断，二极管D 、D o 导通。输入电流
、励磁电感电
(e) 开关 模态 5
图3各个开关模态等效电路图
流、漏感电流均开始下降，当励磁电感电流下降到与漏
感电流相等时 此模态结束。
开关模态4也<£<；九]：在t3时刻，二极管D 。关断，二 极管D c 、D 1、D 2导通。耦合电感二次侧通过二极管D 1、D 2
后
1
2
仔姨g
给电容C1、C2充电，输入电压通过钳位二极管D c继续给钳位电容C c充电，此时的负载R能量由输出电容C0提供。
开关模态5［t4<t<t5］：在t时刻，钳位二极管D。关断，二极管D1、D2继续导通。电容C1给钳位电容C c充电，耦合电感二次侧通过二极管D1、D2继续给电容C1、C2充电。
2工作特性分析
2.1电压增益
为方便分析电路在稳态时的工作特性，忽略模态1、模态3这两个持续时间很短的工作模态。
根据开关模态2可得到如下等式：
V l1=V,”(2) Vs=k(V c c-V c1)(3) V0=V”+Vd+V C2+V c3+NV L m-V l1⑷式中V l1表示电感L1上的电压，其他以此类推。
根据开关模态4可得到如下等式：
V L1M-V in(5) Vs=Vd⑹V c2=V c3=NV1m(7)2.2开关器件的电压应力
开关管Q以及二极管上的电压应力表达式如下：
V DS=V8=［I
，方(11) V d1=V D2=¥V^(12) V d0=^N-(13) 2.3变换器之间的工作特性比较
表1给出了文中所提变换器与其他变换器之间的一些数据特性对比。从表1中可以看到，本文所提变换器有着更高的电压增益以及更低的开关管电压应力并且所需要的二极管数量也远少于文献［15］中的变换器有效降低了电路的成本以及控制的复杂性。
结合式(2)、(3)、(5)、(6)，再根据输入电感L1与励磁电感L m的伏秒平衡原理可得：
(8)
表1不同变换器之间的工作特性对比
变量名称所提变换器
传统
Sepic变换器
文献［15］
所提变换器电压N(1+D)+D D2D
增益1-D1-D1-D
开关管1V1V1+D
v
电压应力1—D
几1—D V'n1—D V'n 输出二极管N-1V1V1+D V 电压应力1-D'n1-D'n1-D'n 开关管数量111
二极管数量417
电容数量523
V,=—如-----匕(9)
c11-D+kD1-D'丿忽略实际工作过程中漏感对变换器的影响联立式(4)、(6)、(7)、(9)，得到理想情况下电压增益M的表达式为：
M ccm=畏=N D+D(10)图4给出了当N=2时，本文所提变换器与传统Sepic 变换器、文献［15］所提变换器电压增益对比图。可以明显地看出，本文所提变换器具有更高的电压增益。
图4各变换器电压增益对比3实验验证
为了验证理论分析的正确性以及所提变换器的可行性，搭建了一台100W的实验样机，样机的实验参数为：输入电压V i…=20V，输出电压V0=200V，输出功率P d=100W，开关频率f=50kHz，匝比N=2.5。满载时的实验波形如图5所示。示波器的时基为4滋s/格。
异形刷
图5(a)给出了变换器的驱动波形以及输入电感电流、漏感电流波形图。当变换器满载工作时，输出电压在占空比为0.6左右达到了200V。由于漏感的存在，会造成一定值的占空比丢失，这也与理论分析保持一致。
图5(b)、(c)、(d)是开关管和二极管两端的电压和电流波形。如1.2节分析所示，在开关管开通的过程中，漏感L k与钳位电容C c、电容C1之间有一个谐振过程，因此其电流波形并不是完全呈线性变化的，开关管也基本实现了零电流开通。同理由于谐振的存在，输出二极管D o 的电流波形呈正弦波变化，有效减轻了反向恢复的影响。
图5(e)是电容以及输出电压波形。电容C1、C2、G、C。的电压分别为：38V、58V、55V、60V，其实际值与理论计算值基本一致。
图6是变换器的实测与理论电压增益对比图。从图中可以看出如果忽略漏感所造成的占空比丢失实际测得的电压增益曲线与理论计算的增益曲线基本上是相一致的。
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(a)驱动电压及/“、心波形誉
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J (c)二极管两端电压_s n =
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(b)开关管电压及电流
(d)二极管电流
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M
(e)电容及输出电压
外脚手架定型化钢板网
0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.(
占牢比D
图6理论与实测电压增益对比
图5满载时实验波形
4结论
本文提出一种新型的Sepic 高增益变换器，在保留经 典Sepic 变换器输入电流连续和低纹波优点的基础上，通 过引入耦合电感单元，改变耦合电感匝比来获得较高的 电压增益。由于变换器在工作过程中漏感与电容之间产
生的谐振，降低了开关管的电流峰值，同时也极大地减 轻了二极管的反向恢复问题。针对上述优点，所提出的 高增益变换器适合应用在可再生能源系统中° 参考文献
[1 ]姚佳.基于耦合电感的高增益DC-DC 拓扑及其建模研
(下转第116页)
设计满足系统对建立及保持时间的要求。
(2)在服务器主板设计时时钟信号匹配电阻位置对信号质量影响很大，同时注意信号间等长问题。
(3)线缆和连接器部分，主要注意信号和地管脚的比例及线缆和连接器组装时线缆接地导体要就近焊接到地管脚，不允许两个线缆的接地导体焊接到同一个地管脚，否则容易造成信号间的干扰。
(4)智能网卡设计时，可以增加缓冲芯片以增加NCSI PHY芯片的驱动能力，同时注意缓冲芯片的摆放位置，对于总体走线较短的链路，可以使用跨接电阻，不焊接缓冲芯片进一步降低成本。
NCSI接口时钟为50MHz，数据速率只有100Mb/s，但稍有不慎很容易出问题，一方面是因为服务器和智能网卡设计时都不知道对方走线长度及芯片驱动能力；另一方面是该频段内，普通的电气工程师缺乏高速高频的知识，意识不到可能出问题的地方，而对于专门的高速信号完整性工程师而言，更多关注1Gb/s以上高速差分信号，容易遗漏。常见的三维电磁场仿真软件在几十兆赫兹的相对低频段内主要通过线性外推得到结果，仿真误差较大，今后需要重视该频段内的仿真和测试拟合问题。此外，电路原理图设计正确只是第一步，印制电路板上元件的布局布线也会严重影响产品功能，一件成功的产品是电路设计、布局布线、散热、机械等多方面共同成果，尤其对于可靠性要求很高的企业级产品更是如此。参考文献
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(收稿日期：2020-09-25)作者简介:
高双(1995-)，男，硕士研究生，主要研究方向：直流微电网中的高增益DC/DC变换器设计。
赵世伟(1979-)，男，副教授，主要研究
方向：电机设计及其控制、直流微电网。
张龙威(1995-)男硕士研究生主要
研究方向：分布式能源系统应用管理。
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