謝子殿，艾 建

（黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，哈爾濱 150022）

一種基于開關電感電容技術的耦合電感升壓變換器

謝子殿，艾 建

（黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，哈爾濱 150022）

為了克服燃料電池輸出電壓較低，提高并網效率，設計一種具有高效率和高增益的變換器。利用開關電感和開關電容技術，研究一種融合三線圈耦合電感、開關電容和無源鉗位技術的新型DC-DC變換器。通過搭建一個開關頻率為50 kHz、輸入電壓20 V、輸出電壓200 V功率200 W的實驗樣機，驗證了該變換器具有低的開關管電壓應力、低的電壓尖峰、高的電壓增益的優(yōu)點，有效改善了變換器的效率。

高增益；耦合電感；開關電容；開關電感。

0　引　言

燃料電池、光伏等新能源系統(tǒng)，輸出電壓較低，不能夠直接為交流系統(tǒng)提供足夠的電壓。光伏并網系統(tǒng)所需要的電壓比光伏系統(tǒng)的前級輸出電壓高出許多，能夠實現(xiàn)高增益的變換器將有廣泛的應用前景［1-5］。

理論上，Boost變換器可以運用極限占空比獲得一個高的電壓增益。然而，由于電路中寄生參數(shù)的限制，Boost變換器能夠實現(xiàn)的電壓增益是有限的。并且極限占空比將導致嚴重的方向恢復問題，效率較低，開關管的電壓應力和EMI問題嚴重，因此，需要高電壓增益變換器［6-8］。

文獻［7］通過開關電容技術實現(xiàn)了高的電壓增益，但是它的主開關電路電流過沖，導通損耗加大。開關電感技術也可以獲得高的電壓增益，然而在文獻［9］中，開關的電壓應力較大，增加了導通損耗。通過調整耦合電感的匝比，文獻［10］實現(xiàn)了高的電壓增益，但是由于漏感的原因，在開關關斷的時候，開關管有嚴重的電壓尖峰［11-13］。這個問題，有源鉗位電路往往被用在具有耦合電感的拓撲中，但是由于增加了開關，驅動電路變復雜［14-16］。文獻［17-19］引進了無損鉗位電路，不僅循環(huán)了漏感能量，也有效降低了開關管的電壓尖峰。

筆者提出一個新的變換器，將三繞組耦合電感技術和開關電容技術結合在一起，成功地實現(xiàn)了升壓的功能。由于耦合電感漏感能夠帶來較大的導通損耗和嚴重的電壓尖峰因此無損鉗位電路被運用到這個拓撲中，并且無損鉗位電路由一個升壓電容和二極管組成。變換器中的兩個電容串聯(lián)放電，并行充電的同時對開關進行鉗位，所以開關管的電壓尖峰被有效抑制，反向恢復問題得到緩解，因此變換器的性能得到改善。

1　變換器的工作原理

圖1 a是基本的開關電容和開關電感結構，通過開關電感和開關電容結構的融合，圖1 b所示。再通過圖1 b與Boost變換器融合，文中提出了一種新的變換器。

圖1　變換器的結構Fig.1 Converter structures

圖2a是具有開關電感和開關電容結構的基本變換器，它由一個三繞組耦合電感、三個二極管、三個電容共同組成，由于漏感的原因，開關管在關斷的時候有尖峰電壓。

為了抑制由漏感引起的在開關管上的尖峰電壓，在圖2 b中引進二極管D3，D3與C1構成鉗位電路用來吸收漏感的能量。同時，由于D3的導通，D1和Lm與D0同時導通的問題可以被解決。

圖2　新型無源鉗位變換器Fig.2 Novel converter with passive lossless clamped circuits

圖3是變換器的等效電路。耦合電感的模型為一個磁化電感Lm，一個一次側的漏感Lk和匝比n=N2∶N1=N3∶N1（N＞1）的理想變壓器，N1、N2和N3分別是一次側和兩個二次側的線圈匝數(shù)。在本變換器中有N2=N3，因此VL2等于VL3。電容CS是開關管S的寄生電容。為了簡化變換器的分析，假設如下：

圖3　變換器的等效模型Fig.3 Equivalent circuit model of proposed converter

（1）開關管只考慮寄生電容，其它的元件都是理想的；

（2）在一個開關周期中，電容C1、C2和C0足夠大，VC1和VC2等于VCC并且是常數(shù)。

圖4是變換器在一個工作周期中的一些關鍵波形，變換器工作在連續(xù)模式（CCM）。變換器的開關狀態(tài)如下：

模態(tài)1［t0，t1］:t=t0時刻，開關管S導通，D0和D3關斷，圖5 a是電流流過的路徑。輸入電源給原邊電感充電，二極管D1和D3續(xù)流，輸入電源、原邊電感和二次側電感L2一起給電容C1繼續(xù)充電，同時輸入電源、原邊電感和二次側電感L3一起給電容C2繼續(xù)充電。輸出電容給負載提供能量。二次側電感分別被電容C1、C2鉗位，二次側電感電壓為VL2=VL1=VC1=VC2=VCC當二極管D1和D2的電流降到零時，模態(tài)結束。

圖4　連續(xù)模態(tài)下的典型波形Fig.4 Some typical waveforms of proposed converter at CCM operation

模態(tài)2［t1，t2］:t=t1時刻，二極管D1和D2關斷，D3繼續(xù)關斷，輸出二極管D0導通。圖5 b是電流流過的路徑。輸入電源給原邊電感充電，原邊電感的電壓為；二次側電感L2和L3與電容C1和 C2串聯(lián)為負載和輸出電容提供能量，二次側電感L2和L3的電壓為。當開關管關斷的時候，模態(tài)結束。

模態(tài)3［t2，t3］:t=t2時刻，開關管關斷，開關管的寄生電容迅速充滿電。圖5 c是電流流過的路徑。鉗位二極管D3導通，儲存在漏感中的能量被電容C1吸收，電容 C1、C2的電壓為 VC1=VC2=VCC=。二次側電感L2和L3與電容C2串聯(lián)為負載和輸出電容提供能量。當寄生電容的電壓等于，模態(tài)結束。

模態(tài)4［t3，t4］:t=t3，D1和D2導通，輸入電源、原邊電感和二次側電感L2一起給電容C1繼續(xù)充電，同時輸入電源、原邊電感和二次側電感L3一起給電容C2繼續(xù)充電，電容C1繼續(xù)吸收漏感中的能量，負載的能量由輸出電容提供。電容C1鉗住開關管的電壓，開關管的電壓為VDS=VCCVC1。圖5 d是電流流過的路徑。當流過D3的電流降到零時，模態(tài)結束。

模態(tài)5［t4，t5］:t=t4，D3關斷，輸入電源、原邊電感和二次側電感L2一起給電容C1繼續(xù)充電，同時輸入電源、原邊電感和二次側電感L3一起給電容C2繼續(xù)充電，電容C1繼續(xù)吸收漏感中的能量，負載的能量由輸出電容提供。此時，開關管的電壓為VDS=VC1-VL1。圖5 e是電流流過的路徑。當下一個開關周期開始，模態(tài)結束。

圖5　連續(xù)模式下的運行模態(tài)Fig.5 Current-flow path of operating modes during one switching period at CCM operation

2　增益特性

在連續(xù)模式下，模態(tài)1、3、4的時間與整個開關周期比相對較短，為了便于穩(wěn)態(tài)分析，只考慮模態(tài)2和5。由于C1和C2假定足夠大，因此C1和C2的電壓為

匝比n有

耦合系數(shù)k為

根據模態(tài)2，有

將式（1）帶入式（2），電容C1和C2的電壓為

對L1列伏秒積平衡方程有

把式（1）和式（3）帶入式（4），電容C1和C2的電壓為

電壓增益為

電壓增益受漏感和匝比的影響如圖6所示。

圖6　連續(xù)模式下的電壓增益與占空比的關系Fig.6 Voltage gain versus duty ratio at CCM operation.

3　電壓和電流應力

根據運行原理，二極管D1、D2、D3和D0的電壓應力：

為了簡化電流的計算，忽略極短的時間［t0，t1］，［t2，t3］和［t3，t4］，同時認為磁化電感電流足夠大，并且是常數(shù)。根據電流平衡原理，電容C1在開關導通時刻平均電流為

因此，可以得到二極管D1和D2在開關關斷時刻的平均電流為

根據圖7和式（17），磁化電感的平均電流為

圖7　簡化波形Fig.7 Simplified waveforms

4　實驗驗證

為了驗證基于開關電感電容技術的耦合電感高增益變換器的理論分析結果，采用主電路參數(shù)SiHG73N60E開關管，D1、D2、D3為IOH12S60C，C0為470 μF，C1為 10 μF，C2為 0.1 μF，來合電感為Core-NPS306060，N0=N2∶N1=N3∶N1，LP=137.6 μH，Ls= 548.5 μH，Vin=20 V，V0=200 V，P0=200 W，fs=50 kHz，對文中所提出的變換器進行實驗驗證。

4.1磁化電感的設計

通過設定磁化電感電流文波的大小，磁化電感的表達式為

根據式（18）和（19），磁化電感的表達式可以寫成

4.2實驗波形

圖8是文中提出的新型變換器的關鍵實驗波形。

圖8　在200 W時的實驗波形Fig.8 Experimental waveforms of proposed converter under full-load 200 W

圖8a是開關管柵源級電壓和耦合電感的原副邊電流波形。圖8 b副邊電壓和二極管D3的電壓波形。圖8 c是輸出二極管和二極管D3的電流波形。圖8 d是輸入輸出電壓，可以看到輸入大約20 V，輸出約197 V。

新的變換器的效率曲線如圖9所示，在80W時最大效率點96%，在200 W時的效率曲線約93.8%。

圖9　效率曲線Fig.9 Experimental conversion efficiency

5　結束語

該變換器是一種新型開關耦合電感電容裝置。通過開關耦合電感電容技術以及引入一個無損鉗位電路，抑制了開關管的尖峰電壓，同時避免了二極管同時導通，實現(xiàn)了變換器的升壓和高效率并網，并進行了理論分析與實驗對比。該變換器具有直流增益高，輸入電流連續(xù)的特點，而且減小了磁芯原件的體積，成本小，控制簡單，可以滿足工程的需要。

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（編輯李德根）

A novel high step -up converter with a switched-coupled-inductor-capacitor structure

XIE Zidian，AI Jian
（School of Electrical&Control Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China）

This paper is motivated by the need for overcoming the lower output voltage in the fuel cell and effectively improving the grid efficiency and proposes the design of a novel DC-DC converter with a higher voltage gain and efficiency.This converter is developed by using switched-inductor and switched-capacitor techniques and thereby integrating three-winding coupled inductors，switched-capacitor，and passive lossless clamped circuit techniques to achieve efficient grid.The better performance of the proposed converter with a lower voltage stress and peek voltage on MOSFET and a higher voltage gain is validated by building a prototype circuit at 50 kHz switching frequency with 20 V input voltage，200 V output voltage，and 200 W output power is built in the laboratory，thus effectively improving the converter efficiency.

high gain；coupled inductor；switched capacitor；switched inductor

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.06.019

TM911

2095-7262（2015）06-0670-06

A

2015-10-16

謝子殿（1965－），男，黑龍江省鶴崗人，教授，研究方向：電力電子與電力傳動、電機與電器、電氣傳動與控制方向，E-mail: xiezidian@163.com。