侯世英 陳劍飛 孫 韜 陳 復(fù) 唐榮波

（1.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400044 2.重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 重慶 402160）

1 引言

化石能源作為不可再生能源正日益枯竭，它所造成的環(huán)境污染日益嚴(yán)重。新能源（如風(fēng)電，太陽能，燃料電池等）具有廉價(jià)、可靠、清潔無污染、能源豐富的特點(diǎn)，在分布式發(fā)電領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的市場(chǎng)前景[1]。然而，大多數(shù)新能源受環(huán)境和天氣的限制，存在隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)，因此通常將多種具有互補(bǔ)特性的新能源發(fā)電單元結(jié)合起來，構(gòu)成新能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，向用戶提供穩(wěn)定連續(xù)的電能。

在傳統(tǒng)的新能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中，每種能源形式均需要一個(gè)DC/DC 變換器，將各能源變換成直流電壓輸出，并聯(lián)在公共的直流母線上，供給直流負(fù)載，然而存在變換器電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高等缺點(diǎn)。為了簡化電路結(jié)構(gòu)、降低系統(tǒng)成本，可以用一個(gè)多輸入直流變換器（Multi-Input DC/DC Converter,MIC）代替多個(gè)單輸入直流變換器。MIC 允許多種能源輸入，輸入源的性質(zhì)可以相同，也可以差別很大，多輸入源可以分別或同時(shí)向負(fù)載供電（即分時(shí)供電或同時(shí)供電），因此提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性，實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)先利用，并且降低系統(tǒng)成本[1-3]。另外，由于太陽能、燃料電池等新能源裝置的輸出電壓較低，為了實(shí)現(xiàn)較高的直流母線電壓輸出，必須使得新能源裝置與直流母線電壓之間的MIC 兼具較大的升壓能力。

隨著新能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的日益發(fā)展，MIC 引起了國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注，并陸續(xù)開展了相關(guān)的研究工作，提出了各種各樣的MIC 電路拓?fù)鋄4-15]。其中，文獻(xiàn)[4-8]立足于6 種基本的PWM 變換器，通過添加電壓緩沖單元或電流緩沖單元構(gòu)成相應(yīng)的MIC，該方法易于理解，為構(gòu)建MIC 提供了系統(tǒng)性的理論指導(dǎo)；文獻(xiàn)[9,10]針對(duì)傳統(tǒng)的Buck 和Boost變換器，提出了雙輸入Buck 變換器和雙輸入Boost變換器，既能實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸入源分時(shí)供電，又能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)供電，但是雙輸入Buck 變換器的控制電路復(fù)雜且不具有升壓能力，而雙輸入Boost 變換器由于其升壓能力有限而不能發(fā)揮很好的作用；文獻(xiàn)[11-14]提出多輸入全橋變換器，既能實(shí)現(xiàn)大功率輸出，還能實(shí)現(xiàn)輸入源與負(fù)載之間的電氣隔離，但開關(guān)器件太多，開關(guān)損耗大、效率低，雖然采用軟開關(guān)技術(shù)減小了一部分損耗，但導(dǎo)致電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制困難；文獻(xiàn)[15-17]通過輸出并聯(lián)或拓?fù)浣M合的方式實(shí)現(xiàn)多路新能源輸入，但是開關(guān)管電壓應(yīng)力較大，控制相對(duì)復(fù)雜，且電路中的元器件利用率低。

針對(duì)新能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)對(duì)MIC 的升壓能力、控制復(fù)雜度、開關(guān)應(yīng)力、轉(zhuǎn)換效率和元器件利用率的要求，本文在已有的研究基礎(chǔ)之上[18]，提出了一種基于Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)分時(shí)供電的多輸入升壓變換器。該變換器由多個(gè) Switch-Capacitor網(wǎng)絡(luò)相互并聯(lián)組成，通過每兩個(gè)相鄰網(wǎng)絡(luò)之間電容并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，使得每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的電容電壓大小相等，并通過所有網(wǎng)絡(luò)中的電容電壓累加的方式實(shí)現(xiàn)較大的輸出電壓，具有較高的升壓能力，同時(shí)所有開關(guān)管由同一控制信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)，控制電路簡單，且元器件電壓應(yīng)力小。

2 Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)

圖1 給出了傳統(tǒng)Boost 變換器的兩種電路拓?fù)湫问?。在傳統(tǒng)Boost 變換器的兩種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，加入兩個(gè)交叉電容和一個(gè)輸出濾波電感，要求這兩個(gè)電容的規(guī)格參數(shù)相同，可以構(gòu)成一種新型升壓變換器，簡稱為單開關(guān)升壓變換器，其電路拓?fù)淙鐖D2 所示，由三部分組成：前級(jí) Boost 升壓電路，Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)和后級(jí)LC 濾波電路。在圖2中，該變換器中的電感L1、開關(guān)管S 和二極管VD1或VD2構(gòu)成傳統(tǒng)Boost 電路的兩種電路拓?fù)湫问?，?shí)現(xiàn)前級(jí)升壓的作用；由電容C1、C2和二極管VD1、VD2構(gòu)成的Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)再次升壓的目的；輸出濾波電感Lo和輸出濾波電容Co構(gòu)成LC濾波電路，實(shí)現(xiàn)輸出濾波作用。需要說明的是，前級(jí)Boost 升壓和Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)升壓是同時(shí)進(jìn)行的，所以該變換器其實(shí)是一個(gè)單級(jí)升壓電路。

圖1 Boost 變換器的兩種電路拓?fù)湫问紽ig.1 Two circuit topologies of Boost converter

圖2 單開關(guān)升壓變換器拓?fù)銯ig.2 Topology of the single-switch step-up converter

圖3 給出了Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)的電路拓?fù)?，其中圖3a 為單個(gè)Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)，圖3b為多個(gè)網(wǎng)絡(luò)組合而成的Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)組，其中每兩個(gè)相鄰網(wǎng)絡(luò)共用一個(gè)二極管。在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，2 個(gè)交叉電容C1與C2的規(guī)格參數(shù)相同，二極管VD1與VD2的規(guī)格參數(shù)也相同，構(gòu)成了一個(gè)對(duì)稱型網(wǎng)絡(luò)，從而電容C1和C2兩端的電壓大小相等，記為UC，即

式中，UC1、UC2分別代表電容C1、C2兩端的電壓。

單個(gè)Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)的基本工作原理：當(dāng)開關(guān)管S 導(dǎo)通時(shí)，二極管VD1、VD2關(guān)斷，電容C1、C2交叉串聯(lián)放電；當(dāng)開關(guān)管S 關(guān)斷時(shí)，二極管VD1、VD2導(dǎo)通，電容C1、C2并聯(lián)充電。因此，通過兩個(gè)交叉電容串聯(lián)放電、并聯(lián)充電的工作特性達(dá)到提高變換器升壓能力的目的。

基于單個(gè)Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)的工作原理，可以推導(dǎo)出相應(yīng)的Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)組的基本工作原理：當(dāng)所有開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，與輸入源直接相連的網(wǎng)絡(luò)首先進(jìn)入電容交叉串聯(lián)放電狀態(tài)，其他網(wǎng)絡(luò)通過相鄰網(wǎng)絡(luò)之間電容并聯(lián)的方式也快速進(jìn)入放電狀態(tài)，同時(shí)通過多個(gè)電容電壓累加的方式向負(fù)載輸出能量；當(dāng)所有開關(guān)管同時(shí)關(guān)斷時(shí)，所有網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)電容處于并聯(lián)充電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)下兩個(gè)電容電壓的自動(dòng)均衡。因此，通過網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)之間能量的相互傳遞和多個(gè)網(wǎng)絡(luò)中電容電壓累加的方式，實(shí)現(xiàn)較好的升壓效果。

圖3 Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Switch-Capacitor network

3 實(shí)現(xiàn)分時(shí)供電功能的多輸入升壓變換器

基于Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)組，本文提出的實(shí)現(xiàn)分時(shí)供電功能的多輸入升壓變換器電路結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 多輸入升壓變換器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of multi-input step-up converter

當(dāng)任何一個(gè)供電單元工作時(shí)，其供電電壓先通過對(duì)應(yīng)的輸入端口前級(jí)Boost 電路實(shí)現(xiàn)升壓，并通過每兩個(gè)相鄰的Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)之間電容并聯(lián)的方式將升壓后的能量傳遞給其他所有網(wǎng)絡(luò)，使得每個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有相同的電容電壓，同時(shí)通過多個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的電容電壓累加和后級(jí)LC 濾波電路的濾波作用，向輸出端提供紋波小、電壓值較大的直流電壓。

通過多個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間能量的傳遞和電容電壓的累加，極大地提高了變換器的升壓能力；任何一個(gè)供電單元工作時(shí)，所有網(wǎng)絡(luò)都參與工作，減小了元器件電壓應(yīng)力，同時(shí)極大提高了電路的元器件利用率。這就是該多輸入升壓變換器的兩個(gè)獨(dú)特之處。

為了闡述該多輸入升壓變換器的工作原理，本文以三輸入升壓變換器為例分析其工作原理和工作特性，其電路拓?fù)淙鐖D5 所示，其中記 C11=C12=C21=C22=C31=C32=C，網(wǎng)絡(luò)1 和網(wǎng)絡(luò)2 共享二極管VD12，網(wǎng)絡(luò)2 和網(wǎng)絡(luò)3 共享二極管VD23。這三個(gè)供電單元可以為特性相同的供電單元，也可以為互不相同的供電單元，實(shí)現(xiàn)分時(shí)供電。

圖5 三輸入升壓變換器Fig.5 Three-input step-up converter

3.1 供電單元1 工作

當(dāng)只有供電單元1 工作時(shí)，三輸入升壓變換器的等效電路如圖6 所示。輸入電壓Uin1經(jīng)過對(duì)應(yīng)的前級(jí)Boost 電路升高到[1/(1-D)]Uin1，升壓后的能量儲(chǔ)存在網(wǎng)絡(luò)1 的兩個(gè)電容中，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)1 與網(wǎng)絡(luò)2 中的電容C11、C22并聯(lián)的方式，將網(wǎng)絡(luò)1 中的能量傳遞給網(wǎng)絡(luò)2，傳遞的能量儲(chǔ)存在網(wǎng)絡(luò)2 的電容中。同樣地，通過網(wǎng)絡(luò)2 與網(wǎng)絡(luò)3 中的電容C21、C32并聯(lián)的方式，將網(wǎng)絡(luò)2 中的能量傳遞給網(wǎng)絡(luò)3，傳遞的能量儲(chǔ)存在網(wǎng)絡(luò)3 的電容中。因此，3 個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的電容電壓大小相等，均為[1/(1-D)]Uin1，同時(shí)通過3 個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的電容電壓累加升壓，實(shí)現(xiàn)較大的輸出電壓。

圖6 供電單元1 工作時(shí)三輸入升壓變換器的等效電路Fig.6 Equivalent circuits of three-input step-up converter when the first power supply works

當(dāng)三個(gè)開關(guān)管S1、S2、S3同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，二極管VD11、VD12、VD23、VD34都關(guān)斷，等效電路如圖6a 所示。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)1 中的電容C11與C12，網(wǎng)絡(luò)2中的電容C21與C22和網(wǎng)絡(luò)3 中的電容C31與C32分別交叉串聯(lián)，向負(fù)載提供能量；同時(shí)C11與C22、C21與C32分別并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)相鄰網(wǎng)絡(luò)之間的能量傳遞。電感L1和電感Lo上的電壓大小分別為

由于C11與C22、C21與C32分別并聯(lián)，所以這3個(gè)Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)中的電容電壓大小相等，即

當(dāng)三個(gè)開關(guān)管S1、S2、S3同時(shí)關(guān)斷時(shí)，二極管VD11、VD12、VD23、VD34都導(dǎo)通，等效電路如圖6b 所示。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)1 中的電容C11、C12，網(wǎng)絡(luò)2中的電容C21與C22和網(wǎng)絡(luò)3 中的電容C31與C32分別并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中電容電壓的自動(dòng)均衡，同時(shí)與輸入源直接相連的網(wǎng)絡(luò)1 中的電容C11、C12處于充電狀態(tài)。電感L1和電感Lo上的電壓大小分別為

根據(jù)式（2）～式（4）可得，這3 個(gè)Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)中的電容電壓和變換器輸出電壓大小分別為

3.2 供電單元2 工作

當(dāng)只有供電單元2 工作時(shí)，三輸入升壓變換器的等效電路如圖7 所示。輸入電壓Uin2經(jīng)過對(duì)應(yīng)的前級(jí)Boost 電路升壓并通過電容并聯(lián)的方式，將升壓后的能量分別向相鄰的網(wǎng)絡(luò)1 和網(wǎng)絡(luò)3 傳遞，并通過3個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的電容電壓累加的方式，實(shí)現(xiàn)較大的輸出電壓。結(jié)合伏秒平衡原理和3.1 節(jié)的分析過程，不難得到在只有供電單元 2 工作時(shí)這 3 個(gè) Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)中的電容電壓和輸出電壓大小分別為

圖7 供電單元2 工作時(shí)三輸入升壓變換器的等效電路Fig.7 Equivalent circuits of three-input step-up converter when the second power supply works

3.3 供電單元3 工作

當(dāng)只有供電單元3 工作時(shí)，三輸入升壓變換器的等效電路如圖8 所示。同樣地，不難得到這3 個(gè)Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)中的電容電壓和變換器輸出電壓大小分別為

圖8 供電單元3 工作時(shí)三輸入升壓變換器的等效電路Fig.8 Equivalent circuits of three-input step-up converter when the third power supply works

3.4 控制電路

在該多輸入升壓變換器中，所有開關(guān)管由同一控制信號(hào)進(jìn)行控制。以三輸入升壓變換器為例，由于三個(gè)開關(guān)管S1、S2、S3不共地線，所以需要采用隔離驅(qū)動(dòng)電路。圖9 給出了三路隔離驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)圖，控制電路簡單。

圖9 三路隔離驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structure diamgram of three-output isolated driven circuit

4 性能分析

4.1 電容電壓和輸出電壓

由以上的工作原理分析過程可知，在三輸入升壓變換器中，每個(gè)Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)中的電容電壓大小相等，為

變換器輸出電壓大小為

通過前級(jí) Boost 電路的升壓和三個(gè) Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)的電容電壓累加升壓實(shí)現(xiàn)變換器的升壓目的。需要說明的是，前級(jí)Boost 電路的升壓和三個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的電容電壓累加升壓是同時(shí)進(jìn)行的，因此該三輸入升壓變換器是一個(gè)單級(jí)電路。另外，隨著并聯(lián)的Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)個(gè)數(shù)增多，該多輸入升壓變換器的升壓能力越強(qiáng)，而開關(guān)器件的電壓應(yīng)力和所有網(wǎng)絡(luò)中的電容電壓應(yīng)力均沒有增大，恒為輸入電壓的1/(1-D) 倍，元器件電壓應(yīng)力較小。

4.2 紋波大小

圖10 給出了三輸入升壓變換器的電感電流波形，其中電感L1、L2和L3的電流波形相同，因此以電感L1為例。經(jīng)計(jì)算可得電感L1、L2、L3和Lo的電流紋波大小分別為

圖10 電感L1和Lo電流波形Fig.10 Current waveforms of inductor L1and Lo

由式（10）可知，電感電流紋波都較小，從而降低了對(duì)外部濾波器的要求。

另外，在所有開關(guān)管都導(dǎo)通期間，共有4 個(gè)電容交叉串聯(lián)，向負(fù)載提供能量，根據(jù)能量守恒原理可知

由式（11）、式（12）和式（5）可得 Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)中的電容電壓紋波大小為

輸出濾波電容Co的紋波電壓，即輸出電壓紋波。采用求解Buck 變換器輸出電壓紋波大小的計(jì)算方法[19]，可得該變換器的輸出電壓紋波大小為

由式（14）可知，輸出電壓紋波大小受D、Uin、Ts、Lo、Co影響，且受開關(guān)周期Ts的影響最大，與其二次方成正比，即與開關(guān)頻率fs的二次方成反比。一般情況下，fs都可以達(dá)到100kHz 以上，因而輸出電壓紋波較小。

4.3 電路瞬時(shí)特性分析

基于該三輸入升壓變換器的工作原理，當(dāng)任何一個(gè)供電單元工作時(shí)，該變換器的工作原理都相同。因此，本文以供電單元1 工作為例對(duì)三輸入升壓變換器的電路瞬時(shí)特性進(jìn)行分析，記為

在開關(guān)管導(dǎo)通期間，不難得到流過電感L1的電流i1大小為

流過電感Lo的電流io滿足

式中，io(0)=Iomin，uC(0)=UCmax。對(duì)式（16）兩邊同時(shí)求導(dǎo)得

式（18）為一個(gè)二階常系數(shù)線性齊次微分方程，求解得流過電感Lo的電流大小為

結(jié)合式（16）、式（17）、式（19）可得所有Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)中的電容電壓大小為

在開關(guān)管關(guān)斷期間，流過電感L1的電流i1大小為

此時(shí)，流過電感Lo的電流io滿足關(guān)系

式中，io(0)=Iomax，uC(0)=UCmin，為了簡化計(jì)算過程，視i1為一個(gè)恒定值，即i1=I1。同理可得

4.4 開關(guān)器件電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力

以供電單元1 工作為例，開關(guān)管和二極管電壓應(yīng)力相等，為

由式（15）、式（19）、式（21）、式（23）可知i1、io的大小分別為

流過開關(guān)管S1的電流iS大小為

流過所有二極管的電流大小相等，為

由式（26）、式（27）可知，開關(guān)管S 的電流應(yīng)力較大，而二極管的電流應(yīng)力較小，且遠(yuǎn)小于開關(guān)管S 的電流應(yīng)力的一半。結(jié)合式（25）可知，在相同的開關(guān)管電壓應(yīng)力和二極管電壓應(yīng)力下，開關(guān)管損耗較大，二極管損耗較小，因而影響變換器效率的主要因素是開關(guān)管損耗。

4.5 實(shí)現(xiàn)同時(shí)供電的多輸入升壓變換器

本文提出的多輸入升壓變換器只能實(shí)現(xiàn)分時(shí)供電功能，適用范圍有限。為了拓展其適用范圍，提出一種輸出端串聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)同時(shí)供電，其電路拓?fù)淙鐖D11 所示。

圖11 輸出端串聯(lián)的三輸入升壓變換器拓?fù)銯ig.11 Topology of the output-series three-input step-up converter

與分時(shí)供電的多輸入升壓變換器一樣，該變換器的輸入電源電壓可以相同，也可以不相同，且由同一控制信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)三個(gè)開關(guān)管，控制電路簡單。不一樣的是，該變換器是通過多個(gè)輸入電源同時(shí)供電并通過輸出端串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)升壓作用，其輸出電壓大小為

本文主要研究基于Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)分時(shí)供電的多輸入升壓變換器，由其拓展衍生出的同時(shí)供電多輸入升壓變換器會(huì)在今后的文章中予以詳細(xì)闡述。

5 仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究

5.1 仿真分析

為了驗(yàn)證基于Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)的多輸入升壓變換器理論分析的正確性，本文基于 Matlab/Simulink 搭建了仿真模型，以三輸入升壓變換器為例，仿真參數(shù)：為了便于分析，令三個(gè)供電單元的輸入電壓相等，即Uin1=Uin2=Uin3=24V，對(duì)應(yīng)的輸入電感 L1=L2=L3=4mH，輸出濾波電感 Lo=6mH，Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)中的電容均取47μF，輸出濾波電容 Co=100μF，開關(guān)頻率 fs=100kHz，占空比D=0.40，負(fù)載R=610Ω，仿真結(jié)果如圖12 所示。其中，圖12a～圖12f 為供電單元1 工作時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，圖12g、圖12h 分別為供電單元2 和供電單元3工作時(shí)的輸出電壓波形。

從圖12a、圖12f 可以看出來，輸入電流紋波和輸出電壓紋波較小；從圖12c、圖12d、圖12e、圖12f 可知，三個(gè)Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)中的電容電壓波形相近，大小相等，且輸出電壓大?。?36.2V）接近理論分析值（140V）；比較圖12f、圖12g 和圖12h 可以看出來，供電單元1、供電單元2 和供電單元3 分別單獨(dú)工作時(shí)的輸出電壓波形相同，其各自的輸出效果相同，說明了該變換器分時(shí)供電方式的正確性。

圖12 仿真波形Fig.12 Simulational waveforms

5.2 實(shí)驗(yàn)研究

為了進(jìn)一步驗(yàn)證多輸入升壓變換器的工作性能，以三輸入升壓變換器為例，采用仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)，對(duì)該變換器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，其中開關(guān)管均選用 IRF640N，二極管均選用肖特基二極管IN5819。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13 所示，其中，圖13a 為供電單元1 工作時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，包括開關(guān)管端電壓波形、二極管端電壓波形、電感L1波形（也即輸入電流波形）、輸出電流波形、效率曲線、輸出電壓和電容電壓波形（包括紋波電壓波形），需要說明的是，開關(guān)管端電壓是指開關(guān)管的漏極與源極之間的電位差，二極管端電壓是指二極管的陰極與陽極之間的電位差，為反向端電壓；圖13b 為供電單元2 和3 分別工作時(shí)的輸出電壓波形。

圖13 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Experimental results

綜合圖13a 和圖13b 可知，三輸入升壓變換器輸出電壓穩(wěn)定，明顯高于輸入電壓，輸入電流紋波、輸出電壓紋波和電容電壓紋波都較小，輸出電壓紋波相對(duì)更小，且在三種輸入電壓相同的供電單元下，變換器的輸出電壓大小相等，為 136V，UC1、UC2與UC3大小也相等，接近40V，滿足式（8）～式（14）；另外，輸入電流、輸出電流都幾乎相同。以上可說明三輸入升壓變換器分時(shí)供電性能的正確性。當(dāng)任何一個(gè)供電單元工作時(shí)，三輸入升壓變換器的輸出電壓紋波和所有Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)中的電容電壓紋波都較小。以供電單元1 工作為例，輸出電壓紋波和三個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的電容電壓紋波均在2.5V 以內(nèi)，其中三個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的電容電壓紋波大小按照網(wǎng)絡(luò)1、網(wǎng)絡(luò)2 和網(wǎng)絡(luò)3 依次稍顯增大，但都較小。

同時(shí)，圖13a 給出了開關(guān)器件端電壓波形，其中三個(gè)開關(guān)管由于受同一控制信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)，因此它們的端電壓波形相同，四個(gè)二極管的端電壓波形也相同，且通過分析實(shí)驗(yàn)波形可知，當(dāng)所有開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)（開關(guān)管端電壓為0），四個(gè)二極管都同時(shí)關(guān)斷（反向端電壓約為40V），反之當(dāng)所有開關(guān)管關(guān)斷時(shí)（開關(guān)管端電壓約為40V），四個(gè)二極管導(dǎo)通（反向端電壓為0），該工作過程與第3 部分的理論分析相同。在圖13a 中的工作效率隨輸入功率變化的曲線中，橫坐標(biāo)為輸入功率Pin，縱坐標(biāo)為變換器效率η，其最大效率為89.7%。根據(jù)4.4 小節(jié)的理論分析，影響多輸入升壓變換器效率的因素主要是開關(guān)管損耗，今后可以通過軟開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)工作效率的提高。

另外，從圖13b 還可以看出來，當(dāng)輸入電源變?yōu)閁in2和Uin3時(shí)，輸出結(jié)果與輸入電源為Uin1時(shí)的輸出結(jié)果相同，即從任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)處輸入能量，變換器的輸出效果相同，因此該多輸入升壓變換器具有分時(shí)供電的特性，可應(yīng)用于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電、多種能量不間斷供電系統(tǒng)中。而由該分時(shí)供電多輸入升壓變換器衍生出的同時(shí)供電多輸入升壓變換器會(huì)今后的論文中展開詳細(xì)闡述。

6 結(jié)論

基于Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)，本文提出一種實(shí)現(xiàn)分時(shí)供電的多輸入升壓變換器，通過多個(gè)Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)之間的能量傳遞和電容電壓的累加升壓，實(shí)現(xiàn)較大的輸出電壓，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）升壓能力強(qiáng)，控制電路簡單。

（2）輸入端和輸出端均有一個(gè)濾波電感，有效降低了輸入、輸出電流紋波和輸出電壓紋波，同時(shí)減小了對(duì)輸入、輸出電解電容的沖擊。

（3）任何一個(gè)輸入電源供電時(shí)，所有Switch-Capacitor 網(wǎng)絡(luò)都參與工作，因而元器件利用率高。

缺點(diǎn)：雖然開關(guān)管電壓應(yīng)力較小，但是其電流應(yīng)力大較大，仍然會(huì)導(dǎo)致該變換器效率不高。

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