基于開關電容變換器的水文遙測站供電系統設計

基于開關電容變換器的水文遙測站供電系統設計

金福一

(遼寧省水文局，沈陽110003)

摘要：直流變換器(DC-DC)是新能源供電系統中必不可少的變換器。本文把開關電容電路融合到傳統非隔離型直流變換電路中，形成高壓比、高效率、高集成度的直流變換電路，可以更好地應用到水文遙測供電系統以及其他直流變換系統中。最后對新形成的拓撲進行理論推導分析和實驗仿真分析，驗證拓撲的正確性。

關鍵詞：直流變換；開關電容；供電系統

中圖分類號：P332

Design of Hydrologic Telemetry Station Power Supply System

Based on Switched Capacitor Converter

JIN Fu-yi

(LiaoningProvincialHydrologicalBureau,Shenyang110003,China)

Abstract：DC converter (DC-DC) is an essential converter in new energy power supply system. In the paper, switched-capacitor circuit is integrated to traditional non-isolated DC converter circuit to form DC converter circuit with high pressure ratio, high efficiency and high integration. It can be better applied to hydrologic telemetry systems and other DC conversion systems. Finally, theoretical derivation analysis and experimental simulation analysis can be conducted on newly-formed topology, thereby verifying the correctness of topology.

Keywords：DC conversion; switched capacitor; power supply system

水文遙測站一般建設在地理位置比較偏僻的地方，這些地方供電困難、供電不足并且供電電壓不穩定[1-2]。目前水文遙測站的供電系統多采用新能源獨立發電供電系統，并且主要為太陽能發電系統。

典型的包含儲能環節的新能源獨立發電系統由傳統的非隔離型單向 DC-DC 、雙向 DC-DC 變換器和隔離型包含變壓器的DC-DC變換器構成，其變換器分散控制，體積重量大；系統中存在多級功率變換，效率較低[3]。隔離型DC-DC變換電路有較高的變壓比，但是效率低，并且EMI開關電容變換電路不含電感和變壓器，僅由電容網絡和開關構成，集成度比較高，可實現數倍電壓雙向變換[4-5]。開關電容變換器雖然有體積小、重量輕、功率密度大和可集成的優點，但是，開關電容變換電路電壓調整性能差。

目前已有開關電容電路與傳統BUCK或BOOST 電路組成的兩級變換電路[6]，取得了很好的效果。本文采用將開關電容變換電路和傳統BOOST電路乘積式結合，不僅可以逐步提高電路變壓比，且隨著變壓比的增高，調壓寬度也隨著增大，并且形成的新型直流變換器具有體積小、功率密度大以及電路可集成的優點，可以很好地應用在新能源水文遙測供電系統。

1電路系統設計

1.1應用于水文遙測站供電系統

本文提出基于開關電容的水文遙測站供電系統，如圖1所示。

圖1　水文遙測站供電系統

控制器對開關電容電路實行閉環控制，如圖1所示，當太陽能電池板輸出電壓波動時，控制器自動調節開關電容電路開關管占空比，從而達到對蓄電池恒壓充電的目的。

1.2新型變換器基本拓撲

圖2　新型高壓比DC-DC變換器拓撲

圖2所示電路即為基于開關電容的高壓比DC-DC變換電路拓撲，圖2中電容C3和電感L1兩個元件并聯充電串聯放電構成一個自舉升壓電路。虛線方框內為兩階開關電容升壓電路，電源UA作為兩階開關電容電路和自舉電路的輸入電源，整個電路工作分為兩種工作模式。

a. 模式一：自舉電路單獨工作。

電路工作在該模式下，只有開關S3工作，開關S1、S2處于斷開狀態，兩階開關電容電路不工作，其等效電路如圖3所示。

圖3　模式一

開關S3導通時，二極管D4處于反向截止狀態，電流通過D1、D5、D7對電容C3和電感L1并聯充電，忽略二極管壓降有

(1)

(2)

式(1)中RN為電容內阻，設開關周期為T，占空比為k，在kT時刻，開關S3由導通轉向關斷，此時，電容滿充電壓UC3= UA。在(1-k)T時間內，主電源、C3、L1串聯對負載供電，有

(3)

理想情況下，電壓UC3等于主電源電壓UA， iL1大小不變，根據充放電能量相等可得輸出電壓：

(4)

(5)

由式(5)可知，模式一電壓輸出公式和BOOST電路輸出電壓有相似之處，但變壓比高于BOOST電路，說明該電路既具有開關電容電路高變壓比的特點，又具有BOOST電路良好調壓特性的特點。

b. 模式二：自舉電路與開關電容電路共同工作。

電路工作在該模式下，開關S1、S2、S3同時工作，即兩階開關電容電路和自舉電路共同工作,如圖2所示。開關S1、S2與S3相互獨立工作，互不影響，兩階開關電容電路中的開關S1、S2協調工作使電容C2電壓UC3升壓到2倍電源電壓。由于電容C2電壓UC3大于電源電壓UA, 二極管D1處于反向截止狀態，自舉電路的輸入電源改為電容C2。

開關S2導通S1斷開kT時間段內，主電源UA通過二極管D2對電容C1充電，充電過程與式(1)相同。充電結束后，電容C1電壓UC1=UA，實現了對電容C1的滿充；開關S1導通S2斷開(1-k)T時間段內，主電源UA串聯電容C1通過二極管D3對電容C2充電，二極管D2處于反向截止狀態，理想情況下：

(6)

理想情況下，電容量足夠大，電容C2電壓穩定。因為電容C2電壓UC2大于主電源電壓UA，二極管D1處于反向截止狀態，因此電容C2作為自舉電路的輸入電源。電容C2作為自舉電路的輸入電源，根據式(5)，理想情況下變換電路輸出電壓為

(7)

對比式(5)和式(7)可知，兩階開關電容電路與自舉電路同時工作時，無論是升壓比還是可調壓寬度都比單獨自舉電路大很多。

2電路效率

圖2中電感L1的工作電路與BOOST電路基本相同，根據文獻[7-8]可知BOOST電路工作效率較高，大于80%。本文所提出的變換器中，電感L1用于精確調節電壓，其工作占空比為0.3～0.7,避免使用極端占空比，電路工作在理想狀態。

開關電容電路工作效率與電容的充放電效率密切相關，首先分析電容的充電效率。令電容C從t0時刻開始充電，t1時刻充電結束，t0～t1時刻電源Vin輸出的能量為

(8)

t0～t1時刻電容C儲存的能量為

(9)

根據以上計算，可以得到電容充電的效率為

(10)

由以上分析可以得出，電容的充電效率與串聯電阻的大小沒有關系，與電壓的充電過程無關，當電容充電的末態電壓恒定時，電容上的電壓變化越大，電容充電的效率越低。

從整體來考慮開關電容的工作效率，可以用下式計算：

(11)

式中M——電壓變比，M=V0/VS；

K——本征電壓變比，K=Qi/Q0。

理想情況下，效率η可以為1，即M=K，但通常η<1，即M

傳統兩階開關電容電路如圖4所示。

圖4　傳統兩階開關電容電路

以圖4所示的基本升壓開關電容變換器為例，考慮其寄生參數的影響，其輸出電壓可表示為

(12)

變換電路效率為

(13)

由以上開關電容電路效率分析可得，從提高電路效率方面考慮，設計和控制開關電容電路時，盡量減小電容電壓波動。為了減小電壓波動，根據式(16)，可以從兩個方面考慮，第一是一定范圍內增大電容值，第二盡量提高電路工作頻率。

(16)

3實驗仿真分析

為了驗證理論分析的正確性，對圖2所示的新拓撲進行仿真實驗研究，實驗參數如下：輸入電壓UA=15V，PWM控制波形控制開關管，開關頻率fs=20kHz，C1=C3=30μF，C2=C4=120μF，L1=0.9mL，開關管和二極管均為理想器件。

圖5　電路工作電壓(D=0.5)

a. 電路工作在模式一，開關管S3的占空比首先設為0.5。圖5(a)為電容C3充放電波形，與式(1)相吻合，電容實現了滿充，由波形也可看出開關管S3的占空比為0.5。圖5(b)為電路輸出電壓波形，從圖5(b)可得輸出電壓約為45V，與式(5)相吻合。

根據前文分析可知，調節開關管S3的占空比可以調節輸出電壓，前提是保證電容C3滿充。設開關管S3的占空比為0.6，可得圖6所示電路電壓波形。圖6(a)為電容C3充放電波形，與式(1)基本吻合，從中可看出開關管S3的占空比設為0.6；圖6(b)為電路輸出電壓波形，約為52V，與式(5)吻合。

圖6　電路工作電壓(D=0.6)

由模式一電路工作電壓波形可知，本文提出的高壓比DC-DC變換電路比傳統BOOST電路升壓比高，并且擁有同樣的調壓特性。

b. 電路工作在模式二，開關管S1、S2、S3的占空比設為0.5，兩階開關電容輸出電壓為電容C2電壓UC2，如圖7(b)所示，由圖可知兩階開關電容電路輸出電壓約為2倍的電源電壓，符合開關電容電路電壓特性。

圖7　模式二電路電壓

電容C2作為自舉電路的輸入電源，由圖7(c)可知，自舉電路的輸入電壓等于電容C2的電壓，約為30V。輸出電壓如圖7(a)所示，約為90V，與式(5)相吻合。

對比模式一和模式二仿真實驗波形可得：模式二的變壓比大于模式一，并且調壓寬度也大于模式一，與理論推導分析相吻合。

4結語

本文針對目前水文遙測站供電系統和新能源發電系統電能變換需求，結合開關電容和自舉電路的特點，提出一族高壓比DC-DC變換電路。理論與實驗仿真證明：該新型高壓比DC-DC變換電路具有高變壓比、精確調壓范圍廣、輸出電壓范圍寬等特點。

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