摘要: 文章论述了基于Boo ST 型 变换器 的DC - DC、DC - AC、AC - DC 和AC - AC 变换器 电路 结构及其演化过程,给出了各类变换器的电路结构和拓扑实例、仿真与原理试验结果。理论分析、仿真和原理试验结果表明,Boost 型变换器在中大容量的DC - DC、DC - AC、AC - DC 和AC - AC 电能变换中具有重要的应用价值。

　0 　引　言

　　众所周知,基本的非隔离和隔离Boost 型变换器由于具有电路拓扑简洁、输入电流纹波小、可升压、负载短路时可靠性高、输出容量大等优点,因而广泛应用于中大功率的DC - DC 和PFC 变换场合。然而,非隔离和隔离Boost 型变换器用于DC2AC、AC2DC、AC2AC 电能变换及其电路结构的演化过程并非大家所熟悉。本文主要从基本的非隔离和隔离Boost 型变换器电路拓扑出发,论述了Boost 型变换器电路结构及其演化过程。

　　该电路结构演化过程的思路对于从事电力 电子 学电路拓扑的研究人员将会起到较好的启发作用。

　1 　单向Boost 型 DC-DC 变换器

　　1. 1 　非隔离型

　　非隔离单向Boost 型DC-DC 变换器电路结构与拓扑实例,如图1 所示。该电路结构是由输入LC 滤波器 、储能 电感 、 逆变器 、 整流器 以及输出 滤波电容 依序级联构成,是研究其它Boost 型变换器的基础,适用于输出电压高于输入电压的中大功率直流变换场合。

图1 　非隔离单向Boost 型DC-DC变换器电路结构与拓扑实例

　1. 2 　隔离型

　　在图1 所示电路结构中的逆变器和整流器之间插入高频 变压器 ,可派生出图2 所示的隔离单向Boost 型DC-DC 变换器。

图2 　隔离单向Boost 型DC-DC变换器电路结构与拓扑实例

　2 　双向Boost 型DC-DC变换器

　　2. 1 　非隔离型

　　用有源 开关 替代图1 所示电路结构中的整流器,可派生出图3 所示的非隔离双向Boo st 型DC-DC 变换器。与传统的采用两套单向Boost 型DC-DC 变换器实现能量双向流动的方案相比,该电路结构功率器件数量少、变换效率高、成本低。

图3 　非隔离双向Boost 型DC-DC变换器电路结构与拓扑实例

　2. 2 　隔离型

　　用有源开关替代图2 所示电路结构中的整流器,或在图3 所示电路结构中的逆变器和整流器之间插入 高频变压器 ,可派生出图4 所示的隔离双向Boost 型DC-DC 变换器。

图4 　隔离双向Boost 型DC-DC变换器电路结构与拓扑实例

　　3 　双向Boost 型DC2AC变换器

　　3. 1 　非隔离型

　　将两个图3 所示的非隔离双向Boo st 型DC-DC变换器输入端并联、输出端反向串联就可派生出图5所示的差动非隔离双向Boost 型DC2AC 变换器。

　　两个变换器分别输出具有相同直流偏置的正弦脉动直流电压uo1 与uo2 ,负载上可得到高质量的正弦输出电压uo = uo1 - uo2 。

　　仿真实例:输入电压Ui = 40～60 V DC ,输出电压Uo = 110 V 50 Hz AC ,额定容量S = 250 VA ,开关频率Fs = 50 kHz ,输入储能电感L1 = L2 = 250μH ,输出滤波电容Cf1 = Cf2 = 100 μF。感性负载时变换器仿真波形如图6 所示。

图5 　差动非隔离双向Boost 型DC2AC变换器电路结构与拓扑实例

(a) 　储能电感电流iL1和iL2

　　(b) 　输出滤波电容u01和u02

　　(c) 　输出电压uo 、负载电流io

图6 　差动非隔离双向Boost 型DC2AC变换器电路拓扑实例感性负载时仿真波形

　3. 2 　隔离型

　　将两个图4 所示的隔离双向Boost 型DC-DC变换器输入端并联、输出端反向串联就可派生图7 所示的差动隔离双向Boost 型DC2AC变换器。两个变换器分别输出具有相同直流偏置的正弦脉动直流电压uo1与uo2 ,负载上可得到高质量的正弦输出电压uo = uo1 - uo2 。

　　设计实例:输入电压Ui = 18/ 27/ 32 VDC ,输出电压Uo = 115 V 400Hz AC ,额定容量S = 500 VA ,开关频率Fs = 50 kHz ,高频变压器匝比N2 / N1 = 2. 5 , N3 / N1 =0. 2 。差动隔离双向Boost 型DC2AC 变换器拓扑实例阻性负载时原理试验波形,如图8 所示。原理试验波形表明,变换器输出电压波形质量高,THD < 1 %。

(a) 　电路结构

(b) 　拓扑实例

图7 　差动隔离双向Boost 型DC2AC变换器电路结构与拓扑实例

图8 　差动隔离双向Boost 型DC2AC变换器拓扑实例阻性负载时原理试验波形

　　用周波变换器替代图4 电路结构中副边有源开关,可派生出图9 所示的隔离双向Boost 型DC2AC 变换器。由于Boost 型变换器只能升压、而不能降压,所以无法得到输出电压下降且绝对值| uo | < Ui N2 / N1期间的输出正弦波形。在输出负载与输入 直流电源 之间增设高频电气隔离反激式变换器能量回馈电路,是为了确保该期间正弦输出波形质量。

　　设计实例:输入电压Ui = 270 V ±10 %V DC ,输出电压Uo = 115 V 400 Hz AC ,额定容量S = 1 kVA ,负载功率因数为- 0. 75～1. 0～ + 0. 75 ,开关频率Fs= 50 kHz ,高频变压器T 匝比N1 / N2 = 3. 48 ,耦合系数为0. 99 ,输入储能电感L = 50μH ,输出滤波电容Cf= 35μF ,高频储能式变压器Ta原副边电感的比值L1 /L2 / L3 = 1/ 200/ 200 ,耦合系数为0. 99 。变换器容性负载时的仿真波形,如图10 所示。

(a) 　电路结构

(b) 　拓扑实例

图9 　隔离双向Boost 型DC2AC变换器电路结构与拓扑实例

(a) 　输出电压uo 、误差电压ue 、电感电流iL

　　(b) 　高频变压器Ta原副边电流

图10 　隔离双向Boost 型DC2AC变换器拓扑实例容性负载时仿真波形

　4 　双向Boost 型AC2DC变换器

　　将图3 所示电路结构中的逆变器去掉,可派生出图11 所示的双向Boost 型AC2DC 变换器。该变换器可工作在整流和逆变两种状态。

图11 　双向Boost 型AC2DC变换器电路结构与拓扑实例

　5 　双向Boost 型AC2AC变换器

　　5. 1 　非隔离型

　　用周波变换器替代图3 电路结构中的有源开关,就可以派生出图12 所示的非隔离双向Boost 型AC2AC 变换器 。该电路结构由输入滤波器、储能电感、输入周波变换器、输出周波变换器以及输出滤波电容构成,具有电路拓扑简单、网侧功率因数高、网侧电流谐波含量小、变换效率高、滤波器体积重量小、动态性能好、可靠性高等优点。

　5. 2 　隔离型

　　用周波变换器替代图4 电路结构中的有源开关,或在图12 所示电路结构中的输入周波变换器和输出周波变换器之间插入高频变压器,可派生出图13 所示的隔离双向Boost 型AC2AC 变换器。

　　设计实例:输入电压Ui = 220 V 20 % 50 Hz AC ,输出电压Uo = 220 V 50 Hz AC , 额定容量S = 1kVA ,开关频率Fs = 50 kHz ,负载功率因数为0. 75～1. 0～ + 0. 75 ,高频变压器匝比N1 / N2 = 28/ 10 ,储能电感L = 700μH ,输出滤波电容Cf = 6. 6 μF。隔离双向Boo st 型AC2AC 变换器拓扑实例阻性负载时原理试验波形,如图14 所示。原理试验波形表明,变换器输出电压波形质量高, THD = 1. 8 %。

图12 　非隔离双向Boost 型AC2AC变换器电路结构与拓扑实例

(a) 　电路结构

(b) 　拓扑实例

图13 　隔离双向Boost 型AC2AC变换器电路结构与拓扑实例

图14 　隔离双向Boost 型AC2AC变换器拓扑实例阻性负载时原理试验波形

6 　结　论

　　非隔离、隔离Boost 型变换器不但可以用来实现DC-DC、AC2DC 电能变换,而且还可以用来实现DC2AC、AC2AC 电能变换。从基本的非隔离和隔离Boo st型变换器电路拓扑可以演化、派生出一系列用于不同电能变换的电路结构和拓扑,文中给出了部分仿真和试验结果,对于从事电力电子学拓扑研究的人员具有重要参考价值。