李琳鵬，胡雪峰，李永超，程宇

（1.安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，馬鞍山243032；2.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240）

一種混合耦合電感和開關(guān)電容的DC-DC升壓變換器

李琳鵬1，胡雪峰1，李永超1，程宇2

（1.安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，馬鞍山243032；2.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240）

為滿足工業(yè)應(yīng)用中高電壓增益DC-DC變換器的要求，在基本boost變換器基礎(chǔ)上，利用耦合電感和開關(guān)電容技術(shù)，研究了一種具有高電壓變比的boost變換器。該變換器將耦合電感和電容混合連接，通過耦合電感對電容進行充電，提高升壓變比，而且開關(guān)管和二極管等功率器件的電壓應(yīng)力能夠得到有效降低，同時耦合電感漏感的能量可以回收和再利用，有利于提高變換器的效率。詳細(xì)分析了該變換器的工作原理和穩(wěn)態(tài)特性，最后通過搭建一個實驗樣機，驗證了理論分析的正確性。

boost變換器；耦合電感；開關(guān)電容；高電壓增益

引言

高增益DC/DC變換器在工業(yè)生產(chǎn)和生活中被廣泛應(yīng)用，例如，在不間斷電源系統(tǒng)中，鉛酸電池的低輸出電壓需要被變換到380 V的高電壓供逆變器母線電壓使用，在車輛頭燈照明系統(tǒng)中，需要把12 V電壓變換成100 V電壓供高壓氣體放電燈（HID）使用。另外，在燃料電池和光伏并網(wǎng)發(fā)電等系統(tǒng)中，燃料電池和光伏陣列等這些清潔能源的輸出電壓低，但供電網(wǎng)使用的直流母線電壓相對較高，所以需要高升壓增益DC-DC變換器來進行電壓變換［1-16］。

傳統(tǒng)的boost變換器具有升壓功能，理論上可以采用極限占空比以獲得很高的電壓增益，然而在實際應(yīng)用中，由于電感、電容等效串聯(lián)電阻的存在，以及開關(guān)器件寄生參數(shù)的影響，傳統(tǒng)boost變換器結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)較高電壓增益（占空比大于0.8）的同時其變換效率會大大下降。而且，極限占空比的使用還會導(dǎo)致輸出二極管的反向恢復(fù)問題和電路的電磁干擾問題更為嚴(yán)重。此外，由于開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力較大，必須選用導(dǎo)通阻抗較大的器件，這也會產(chǎn)生較大的導(dǎo)通損耗，降低了變換器的運行效率［5，6］。典型的正激和反激變換器采用磁耦合技術(shù)，通過調(diào)節(jié)變壓器匝比可以實現(xiàn)高電壓增益，但是變壓器的漏磁會導(dǎo)致開關(guān)管關(guān)斷時出現(xiàn)較大的電壓尖峰，而且漏磁能量沒有被有效利用。文獻(xiàn)［7］采用軟開關(guān)的方法，在D＞0.5時零電壓開通，D＜0.5時近似為零電流開通，有助于減小開關(guān)損耗，但是由于增加了開關(guān)管的數(shù)量，使控制電路更加復(fù)雜，系統(tǒng)成本增加；文獻(xiàn)［8］在變換器中引入耦合電感和無源嵌位電路來提高電壓增益，但是輸出二極管承受的電壓應(yīng)力依然很大，并且漏感和輸出二極管的寄生電容之間的諧振會引起電磁干擾，增加電路損耗。

本文將耦合電感和開關(guān)電容混合連接，研究一種具有高電壓增益的boost變換器，該變換器以基本boost變換器為基礎(chǔ)，將耦合電感的原邊代替基本boost變換器的獨立電感，同時原邊經(jīng)二極管與電容相連，構(gòu)成無源嵌位電路，既能將開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力嵌位在恒定電壓值，又能吸收漏感能量；耦合電感的副邊與電容直接相連，極大抬升電容電壓，可以提高變換器的電壓增益，并且開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力得到降低，有利于進一步改善變換器的運行效率。

1　所研究變換器拓?fù)浼捌涔ぷ髟?/h2>

1.1所研究變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

所研究變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。該變換器在傳統(tǒng)的boost變換器基礎(chǔ)上做出改進，引入了耦合電感和開關(guān)電容。Q表示功率開關(guān)管，耦合電感的等效模型由勵磁電感Lm和漏感Lk以及一個理想變壓器組成，匝比Ns/Np定義為n。漏感的能量可以回收到電容C1，同時開關(guān)管關(guān)斷時的電壓應(yīng)力被嵌位在一個恒定電壓值。電容C2的電壓可以通過耦合電感的匝比來改變，所以易于獲得高的電壓增益，同時開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力顯著降低，可以選用導(dǎo)通電阻較小的開關(guān)管，有助于提高變換器運行效率。

圖1　所研究變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 The topology of studied converter

為了簡化電路分析，做如下假設(shè)：（1）電容C1、C2、Co足夠大，因此在一個開關(guān)周期中Vc1、Vc2、Vco保持不變；（2）MOSFET開關(guān)管和二極管為理想器件，不考慮寄生參數(shù)的影響；（3）耦合電感的耦合系數(shù)k=Lm/（Lm+Lk），耦合電感的匝比n=Ns/Np。

1.2CCM模式下工作原理

變換器在CCM模式下一個開關(guān)周期的工作情況可以分為6個模態(tài)。圖2給出了主要的工作波形，圖3表示出了變換器不同模態(tài)時的等效電路。

模態(tài)1［t0，t1］：在t=t0時，功率開關(guān)管Q開通，二極管D1和Do導(dǎo)通，二極管D2關(guān)斷，電流流通路徑如圖3（a）中實線所示。輸入電壓和原邊電壓滿足關(guān)系Vin=VLk+Vp，同時在耦合電感副邊產(chǎn)生感應(yīng)電壓Vs，此時耦合電感的原邊電流iLk線性增加，副邊電流is快速地線性減小，當(dāng)is減小到0時二極管Do關(guān)斷，該模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)2［t1，t2］：在該階段，二極管D2導(dǎo)通，副邊電流is反方向快速增大，電源開始向勵磁電感充電，流過二極管D1的電流繼續(xù)快速減小，電流流通路徑如圖3（b）中實線所示，當(dāng)流經(jīng)二極管D1的電流減小到0時，該模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)3［t2，t3］：在該階段，功率開關(guān)管Q仍然開通，二極管D1和Do關(guān)斷，D2導(dǎo)通，電流流通路徑如圖3（c）實線所示。電源向勵磁電感Lm充電，同時，副邊電壓Vs與Vin和Vc1串聯(lián)后向電容C2充電，電壓Vc2=（n+1）Vin+Vc1。輸出電容Co向負(fù)載提供能量。當(dāng)t=t3時開關(guān)管Q關(guān)斷，該模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)4［t3，t4］：在t=t3時，開關(guān)管Q關(guān)斷，電流流通路徑如圖3（d）實線所示。D1和D2開通，Do關(guān)斷，漏感電流iLk線性減小，勵磁電感和漏感向電容C1放電，漏感的能量被回收到電容C1，副邊電流is快速減小，當(dāng)is減小到0時，該模態(tài)結(jié)束。

圖2　CCM模式下一個開關(guān)周期中的主要工作波形Fig.2 The key working waveforms of one cycle at CCM operation

圖3　CCM模式下一個開關(guān)周期中的六種工作模態(tài)Fig.3 6 kinds of working modes of one cycle at CCM operation

模態(tài)5［t4，t5］：在這個階段，二極管Do導(dǎo)通，副邊電流is反方向快速增大，流過二極管D2的電流繼續(xù)快速減小，電流流通路徑如圖3（e）所示，當(dāng)流過二極管D2的電流減小到0時，該模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)6［t5，t6］：在這個階段，開關(guān)管Q仍然關(guān)斷，二極管D1和Do開通，D2關(guān)斷。電流流通路徑如圖3（f）所示。勵磁電感和漏感向C1放電，開關(guān)管兩端的電壓應(yīng)力被嵌位在一個小于輸出電壓的恒定電壓值。此外，勵磁電感的一部分能量經(jīng)過耦合電感副邊向負(fù)載放電。當(dāng)開關(guān)管再次開通時，該模態(tài)結(jié)束。

1.3DCM模式下工作原理

為了簡化DCM模式下的分析，忽略耦合電感的漏感的影響。圖4給出了DCM模式下的主要工作波形，圖5表示出了DCM模式下一個開關(guān)周期的4個工作階段。

圖4　DCM模式下一個開關(guān)周期中的主要工作波形Fig.4The key working waveform of one cycle at DCM operation

圖5　DCM模式下一個開關(guān)周期中的4種工作模態(tài)Fig.5 4 kinds of working modes of one cycle at DCM operation

模態(tài)1［t0，t1］：在該階段，功率開關(guān)管Q開通，二極管D1和Do關(guān)斷，D2導(dǎo)通，電流流通路徑如圖4（a）實線所示。電源向勵磁電感Lm充電，同時，副邊電壓Vs，電源電壓Vin和電容C1兩端電壓Vc1串聯(lián)后向電容C2充電，電壓Vc2=（n+1）Vin+Vc1。輸出電容Co向負(fù)載提供能量。當(dāng)t=t1時開關(guān)管Q關(guān)斷，該模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)2［t1，t2］：在該階段，開關(guān)管關(guān)斷，二極管D1和Do開通，D2關(guān)斷。電流流通路徑如圖4（b）所示。勵磁電感向C1放電，開關(guān)管兩端承受的電壓被嵌位在一個小于輸出電壓的恒定壓值。此外，勵磁電感的一部分能量經(jīng)過耦合電感副邊向負(fù)載放電。當(dāng)D1電流減小到0時該階段結(jié)束。

模態(tài)3［t3，t4］：在該階段輸入電流iin和副邊電流is相等，勵磁電感和直流電源同時向負(fù)載放電。當(dāng)勵磁電感電流減小到0時該階段結(jié)束。

模態(tài)4［t4，t5］：在該階段開關(guān)管Q和所有二極管均關(guān)斷，電容向負(fù)載放電。當(dāng)開關(guān)管再次開通時該階段結(jié)束。

2　穩(wěn)態(tài)工作性能分析

2.1CCM模式下穩(wěn)態(tài)性能

為簡化分析過程，忽略時間極端的模態(tài)，僅對模態(tài)3和模態(tài)6的穩(wěn)定狀態(tài)進行分析，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，根據(jù)模態(tài)3可知：

當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，根據(jù)模態(tài)6，對漏感Lk、原邊Np和副邊Ns分別應(yīng)用伏秒平衡原理，可得

電容C1兩端的電壓可以表示為

圖6給出了在匝比相同，耦合系數(shù)不同的情況下電壓增益與占空比的關(guān)系?？梢钥闯鲭妷涸鲆鎸︸詈舷禂?shù)并不十分敏感。因此為了計算方便可以忽略漏感的影響，即k=1，此時有

開關(guān)管關(guān)斷時承受的電壓應(yīng)力可表示為

圖6　n=4，不同k時，電壓增益與占空比的關(guān)系Fig.6 The relationship between voltage and duty ratio under n=4 and various k

可以看出開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于輸出電壓。

二極管關(guān)斷時承受的電壓應(yīng)力可表示為

2.2DCM模式下穩(wěn)態(tài)性能

在DCM模式下忽略漏感的影響，在模態(tài)1時，開關(guān)管導(dǎo)通，可知

勵磁電感的峰值電流可以表示為

電容C2兩端的電壓可以表示為

在模態(tài)2和模態(tài)3，開關(guān)管關(guān)斷，原副邊電壓在模態(tài)2和模態(tài)3相同，即

根據(jù)模態(tài)2，則有

在模態(tài)4，開關(guān)管Q以及二極管D1，D2，Do均關(guān)斷，由電容Co向負(fù)載提供能量，可知

對耦合電感原邊與副邊應(yīng)用伏秒平衡原理，且令DL=t3-t1，可得

在一個開關(guān)周期中，流過電容Co的平均電流可表示為

根據(jù)（26）式可知

因為在穩(wěn)定狀態(tài)下，一個周期內(nèi)流過電容Co的平均電流為0，所以可以得到

定義時間常量為

把式（30）代入式（29），得

如果令CCM模式下的增益和DCM模式下的增益相等，可以得到變換器的臨界工作條件為

如果τLm大于臨界值，則變換器工作在CCM模式；如果τLm小于臨界值，則變換器工作在DCM模式。不同匝比n時對應(yīng)的臨界條件如圖7所示。

圖7　不同占空比時的臨界條件Fig.7 Boundary condition under different D

3　實驗驗證

為了驗證前述分析的正確性，以DSP320F2812為核心控制器，搭建了一個數(shù)字實驗樣機。具體參數(shù)如表1所示。

表1　實驗樣機參數(shù)Tab.1 The parameters of the experimental prototype

圖8給出了輸入電壓24 V、輸出電壓200 V、負(fù)載200 W時的實驗波形，此時變換器工作在CCM模式下。由圖可見，穩(wěn)定工作時占空比約為0.66，接近理想情況值0.64，約2%的占空比損耗是由開關(guān)損耗和器件的寄生參數(shù)造成的?？梢钥闯鰧嶒灲Y(jié)果與理論分析一致。

圖8（a）給出了流經(jīng)漏感的電流波形，圖8（b）給出了流經(jīng)耦合電感副邊線圈的電流波形，因為電流不為零的狀態(tài)，所以可以判斷出變換器工作于CCM模式。圖8（c）～（g）分別給出了流經(jīng)二極管D1、D2、Do開關(guān)管Q的電流以及輸入電流的波形，可以看出前述工作方式分析的正確性。圖8（h）給出了開關(guān)管兩端承電壓的波形，可以看出開關(guān)管兩端的電壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于輸出電壓。

圖9給出了負(fù)載突變時負(fù)載電壓和電流波形。負(fù)載先由滿載變?yōu)檩p載，再由輕載突變?yōu)闈M載?？梢钥闯鲎儞Q器具有良好的動態(tài)響應(yīng)。

圖8　穩(wěn)態(tài)時主要實驗波形Fig.8 Some key experimental waveforms at steady state

圖9　負(fù)載突變時輸出電壓與電流波形Fig.9 The output voltage and current waveforms when load change abruptly

圖10給出了實驗樣機效率與輸出功率的關(guān)系，變換器的最大效率為95.7%，滿載200 W時的效率為95.1%。

圖10　實驗樣機效率與輸出功率的關(guān)系Fig.10 The relationship between efficiency and output power of experimental prototype

4　結(jié)語

將耦合電感和開關(guān)電容相結(jié)合，研究了一種單開關(guān)高增益boost變換器。該變換器不需極大的占空比和耦合電感匝比，即可實現(xiàn)較高的電壓增益；同時耦合電感的漏感能量可以被有效回收和再利用，有利于提高變換器的效率。另外，開關(guān)管和二極管的電壓應(yīng)力也能得到有效降低，為變換器性能的改善提供了有利條件。論文詳細(xì)分析了該變換器的工作原理，且進行了實驗驗證，驗證了其理論的正確性。

［1］王天兵，丁新平，王伯榮.集成耦合電感的升壓-反激變換器［J］.電源學(xué)報，2015，13（3）：87-93. Wang Tianbing，Ding Xinping，Wang Borong.Integrated coupled-inductor boost-flyback converter［J］.Journal of Power Supply，2015，13（3）：87-93（in Chinese）.

［2］Chen S M，Lao Manlong，Hsieh Y H，et al.A novel switched-coupled-inductor DC-DC step-up converter and its derivatives［J］.IEEE Transaction on Industry Applications，2015，51（1）：309-314.

［3］胡雪峰，戴國瑞，龔春英，等.一種高增益低開關(guān)應(yīng)力改進交錯型Boost變換器［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2014，29（12）：80-87. Hu Xuefeng，Dai Guorui，Gong Chunying，et al.An improved interleaved boost converter with high gain and low switch voltage stress［J］.Transactions of China Electro technical Society，2014，29（12）：80-87（in Chinese）.

［4］羅全明，張陽，閆歡，等.一種帶有耦合電感的有源嵌位高增益Boost變換器［J］.中國電機工程學(xué)報，2014，34（27）：4576-4583. Luo Quanming，Zhang Yang，Yan Huan，et al.An activeclamp high step-up boost converter with coupled-inductor［J］.Proceeding of the CSEE，2014，34（27）：4576-4583（in Chinese）.

［5］Yang Chen，XieShao jun，Mao Ling，et al.Efficiency improvement on two-switch buck-boost converter with coupled inductor for high-voltage applications［J］.IET Power Electronic，2014，7（11）：2846-2856.

［6］Axelrod B，Berkovich Y，Ioinovici A.Switched-capacitor/ switched-inductor structures for getting transformer lesshybrid DC-DC PWM converters［J］.IEEE Transaction on Circuits Syst，2008，55（2）：687-696.

［7］劉帥，韋莉，張逸成，等.耦合電感式新型交錯Boost軟開關(guān)變換器研究［J］.電子測量與儀器學(xué)報，2014，28（12）：1340-1347. Liu Shuai，Wei Li，Zhang Yicheng，et al.Research on novel soft-switched interleaved boost converter with coupled inductor［J］.Journal of Electronic Measurement and Instrumentation，2014，28（12）：1340-1347（in Chinese）.

［8］Wu T F，Lai Yu Sheng，Huang J C，et al.Boost converter with coupled inductors and buck-boost type of active clamp［J］.IEEE Transaction on Ind Electron，2008，55（1）：154-162.

［9］于澎，王永攀，朱忠尼，等.一種帶耦合電感的交錯并聯(lián)型DC/DC變換器研究［J］.空軍預(yù)警學(xué)院學(xué)報，2015，29（1）：46-19. Yu Peng，Wang Yongpan，Zhu Zhongni，et al.Research on interleaved DC/DC converter in parallel with coupled inductors［J］.Journal of Air Force Early Warning Academy，2015，29（1）：46-49（in Chinese）.

［10］Chen S M，Liang T J，Hu Keren.Design，analysis，and implementation of solar power optimizer for DC distribution system［J］.IEEE Transaction on Power Electronics，2013，28（4）：1764-1772.

［11］Hsieh Y P，Chen J F，Liang T J，et al.Novel high step-upDC-DC converter for distributed generation system［J］. IEEE Transaction on Industrial Electronics，2013，60（4）：1473-1481.

［12］Chen S M，Liang T J，Yang L S，et al.A boost converter with capacitor multiplier and coupled inductor for AC module applications［J］.IEEE transaction on Industrial Electronic，2013，60（4）：1503-1511.

［13］Hu Xuefeng，Gong Chunying.A high voltage gain DC-DC converter integrating coupled-inductor and diode-capacitor techniques［J］.IEEETransactiononPowerElectronics，2014，29（2）：789-800.

［14］王琳，胡雪峰，代國瑞，等.一種適于燃料電池發(fā)電用高增益Boost變換器［J］.電源學(xué)報，2014，12（5）：60-66. Wang Lin，Hu xuefeng，Dai guorui，et al.A high step-up Boost converter applicable for fuel cell power system［J］. Journal of Power Supply，2014，12（5）：60-66（in Chinese）.

［15］洪珠，楊學(xué)鵬.一種高增益交錯并聯(lián)正反激變換器［J］.電源學(xué)報，2015，13（6）：131-138. Li Hongzhu，Yang Xuepeng.A high step-up gain interleaved forward-flybackconverter［J］.Journal of Power Supply，2015，13（6）：131-138（in Chinese）.

A Step-up DC-DC Converter with Coupled-inductor and Switched Capacitor Hybrid

LI Linpeng1，HU Xuefeng1，LI Yongchao1，CHENG Yu2
（1.School of Electrical and Information Engineering，Anhui University of Technology，Maanshan 243032，China；2.School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

Ahigh step-up boost converter is studied for the need of high step-up DC-DC converters in the industrial applications，which is based on the basic boost converter and using the coupled inductor and the switched capacitor technology Since coupled inductor and capacitances are hybrid junction，and coupled inductor can charge capacitance，the proposed converter can provide very high voltage gain，and the voltage stress of power device such as switch and diode can bedecreased effectively.At the same time，the energy of leakage inductor is recycled，which is helpful to improve the efficiency of the converter.The operating principle and steady-state property are discussed in detail.Finally，a prototype is built to verify the theoretical analysis.

boost converter；coupled-inductor；switched capacitor；high voltage gain

李琳鵬

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.5.112

TMTM46

A

李琳鵬（1992-），男，通信作者，碩士，研究方向：新能源發(fā)電及其控制技術(shù)，E-mail：651341756@qq.com。

胡雪峰（1973-），男，博士，教授，研究方向：新能源發(fā)電及其控制技術(shù)，E-mail：hxu-123@163.com。

李永超（1991-），男，碩士，研究方向：新能源發(fā)電及其控制技術(shù)，E-mail：1148399503@qq.com。

程宇（1989-），男，碩士，研究方向：控制工程，E-mail：18721850341@163.com。

2016-03-23

國家自然科學(xué)基金資助項目（51577002）；安徽省自然科學(xué)基金資助項目（1408085ME80）

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51577002）；the Natural Science Foundation of Anhui Province of China（1408085ME80）