【学术论文】新型双输入Sepic直流变换器
摘要：
在多输入的分布式能源供电系统中,采用多输入直流变换器替代多个单输入直流变换器,不仅能够简化电路结构、降低系统成本，同时可提高分布式发电系统供电的可靠性。提出一种新型双输入Sepic直流变换器，该变换器具备结构简单、电压增益高、开关器件电压应力低，既可单独向负载供电,又可同时向负载供电等优点。分析双输入Sepic变换器的工作原理，给出变换器的输入/输出稳态关系式，最后通过MATLAB仿真验证了电路拓扑和理论分析的正确性。
中文引用格式： 兰志勇，陈礼俊，焦石，等. 新型双输入Sepic直流变换器[J].电子技术应用，2018，44(9)：154-157，166.
英文引用格式： Lan Zhiyong，Chen Lijun，Jiao Shi，et al. New double input Sepic DC/DC converters[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(9)：154-157，166.
0 引言
能源是整个人类社会发展与进步的物质基础和动力来源。随着人类社会的飞速发展，煤炭、石油等不可再生能源的消耗量日益增加，能源衰竭、环境污染等问题已经严重影响了社会的可持续发展[1-3]。近十年来新能源作为解决能源危机，实现人类社会可持续健康发展的清洁能源，逐渐成为各国科学家研究的热点。但由于新能源分布范围广，且易受到地理环境和天气的影响，存在着不稳定、不连续等缺点，因此将多种分布式能源采用多输入直流变换器将其联合，组成联合供电系统，不仅可简化电路结构、避免独立供电不稳定和不连续的缺点，同时也可提高分布式发电系统供电的可靠性[4-7]。
近年来国内外学者对多输入直流变换器进行了深入的研究，并相继提出了多种多输入拓扑，尤以双输入拓扑研究最为全面。如：文献[3]、[5]各自提出了一种双输入Buck变换器，由文献[2]对其总结可知，所提变换器虽具有结构简单、开关电压应力低，且可实现多种能源输入等优点，但是由于其拓扑的局限性即此拓扑仅是降压变换器，电压增益低，不能满足并网逆变器的需要。为此文献[2]、[7]分别提出来一种新型双输入升压拓扑，所提拓扑虽弥补了文献[3]、[5]中拓扑电压增益低的缺陷，但依然具有局限性即仅是升压变换器，即不能满足同时需要升降压的应用场合。为实现双输入升降压，文献[8]提出了一种双输入Buck-boost变换器，该拓扑虽能实现电压升降输出且电压增益高，但输出电压为负极性的，因而不满足分布式发电系统并网的要求。文献[9]也提出了一种耦合电感双输入升降压变换器，所提变换器虽能实现分布式发电系统并网，但拓扑结构与控制策略复杂，实现难度大。
为弥补上述变换器的不足，本文提出一种新型双输入Sepic变换器，该变换器具有结构简单、升降压输入/输出电压同极性、开关电压应力低，而且可允许多种形式的能源输入等优点。
1 拓扑结构及工作原理
新型双输入Sepic变换器如图1所示，由4个升压电感L1、L2、L3、L4，2个开关管Q1、Q2，2个续流二极管D1、D2，4个升压电容C1、C2、C3、C4及负载R构成。根据输入源的数量，有单输入和双输入两种工作状态。下面详细分析两种输入状态下电路的工作原理。
1.1 单输入状态的工作原理
当直流电源U1、U2分别单输入时其工作原理与传统单输入Sepic变换器的工作原理类似，以U1单输入时为例分析其稳态情况下的工作原理。为方便分析，假设变换器各元器件均为理想器件，且电路工作在CCM模式。图2为其拓扑开关模态的等效电路。
在单电源U1输入时，1个开关周期Ts内，拓扑有2种工作模态：模态1：Q1、Q2关断，U1—L1—C1—D1—负载—D2—L4回路、L3—D1—C3回路、L4—D2—C4回路同时导通，此时电源U1与电感L1向电容C1、C3与负载供电。模态2：Q1导通D2关断，U1—L1—Q1回路、C1—Q1—L3回路、C3—负载—D2—L4回路、L4—D2—C4回路同时导通，此时电容C3、C4向负载供电，电感L1、L3电流增大电感储能。由上分析可知，电感L4在整个开关周期内并未受到电源激励，它只是作为回路通道，同时由于二极管D2具有0.7 V的导通压降，因此稳态后Uo2=-0.7 V。
对电感L1、L2应用伏秒平衡原理可得：
其中，D1为开关管Q1开通占空比，Uo2、Uo1分别为电容C3、C4两端电压，由此可知拓扑工作在单输入状态时，电压增益与传统Sepic变换器相同。
1.2 双输入状态的工作原理
当有2个输入源时即工作在双输入状态时，为方便本文分析，假设变换器各元器件均为理想器件，且电路工作在CCM模式。双输入时电路拓扑存在4种开关模式，即在Q1、Q2开关周期与占空比相同或不同的情况下，变换器可能4种工作模式同时存在，也可能部分存在。设在不同开关周期内变换器出现4种工作模式，图3为电路工作模式。
工作模式I：设工作时间在[t0，t1]，图3模态1为其等效电路图。Q1、Q2同时开通，电源U1与U2分别对升压电感L1、L2充电，L1、L2电流线性增加，电容C1、C2分别向电感L3、L4充电，L1、L2电流线性增加，串联电容C3、C4向负载供电。此时有：
工作模式IV：设工作时间在[t3，t4]，图3模态4为其等效电路图。Q1、Q2同时关断，电源U1与电感L1向电容C1充电，电源U2与L2向电容C2充电，电感L3、L4分别向电容C3、C4充电，C3、C4共同向负载供电。此时有：
综上分析可得，所提拓扑在双电源输入时，U1、U2工作电路具有独立性，在Q1、Q2开关周期与占空比相同或不同时，其变换器的运行状态是1~4种模式中任意几种模式有规律的组合，且不管工作在何种模态下，输出电压Uout恒为Uo1+Uo2。当U1、U2两个输入源同时向负载R供电时，拓扑的输出电压是2个传统Sepic变换器输出电压的串联。当Q1、Q2开通时刻一样而开关周期与导通时间相同或不同时，电路中会出现多种工作模态，详见表1。
根据文献[2]阐述可知，为减小电路中电磁干扰，Q1、Q2开关管应工作在相同开关频率下，此时它们可工作在交错控制状态或同时开通状态。当在同时开通状态时由表1可知工作模式只有I、IV。当工作在交错控制状态时：本文以变换器工作状态依次是I、II、I、III为例加以分析，图4为工作在交错控制状态时电路主要工作波形图。
2 输入/输出的数量关系
对L1、L2、L3、L4应用电感的伏秒平衡原理，可得下式：
与文献[1]～[5]对比发现，本文所提的拓扑结构不仅继承了上述文献所具有的优点，即提高了系统的稳定性和灵活性，实现了能源的综合利用，同时可弥补文献[1]～[5]只能升压或降压的不足，且进一步提高了电压增益。综合上述分析，本拓扑不仅可工作在单输入，亦可工作在双输入状态，且都具有良好的性能，可根据不同场合结合使用。
3 仿真实验验证
为验证所提拓扑理论分析的正确性，在实验室利用MATLAB对交错控制状态进行仿真实验。实验数据如下：U1=50 V，U2=60 V；L1=L2=L3=L4=2 mH；C1=C2=10 μF，C3=C4=100 μF；负载R=300 Ω；f2=f1=10 kHz且Q2延迟5 μs导通；D2=D1=0.6。
在MATLAB/Simulink中建立双输入Sepic变换器开环控制仿真电路模型，仿真波形如图5所示，图5(a)为Q1、Q2开关波形；图5(b)为电感L1、L2电流波形图；图5(c)、图5(d)分别为电路稳定后电感L3、L4两端电压波形；图5(e)为电压Uo1、Uo2、Uout输出波形。
4 结论
本文提出了一种新型双输入Sepic变换器拓扑结构，该变换器具有结构简单、电压增益高、开关器件电压应力低等优点，且变换器可工作在单电源和双电源输入两种不同状态。基于对工作原理的分析，推导出拓扑的输入/输出关系，并通过MATLAB仿真验证了理论分析的正确性。同时由于所提拓扑具有升降压、输入/输出同级性的特点，因而可用于分布式风光互补发电系统中，避免独立光伏或风力发电供电不足的缺点。
参考文献
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[9] 张君君，孙凯，吴红飞，等.一种耦合电感双输入升降压变换器[J].电工技术学报，2015，30(1)：143-149.
作者信息：
兰志勇，陈礼俊，焦 石，李 理，王 波，徐 琛
(湘潭大学 信息工程学院，湖南 湘潭411105)
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