曾怡達(dá)，李 寶，唐 麗，馬智文

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031）

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和人們生活水平的提高，傳統(tǒng)化石能源的消耗不斷增加，由此帶來了能源短缺和環(huán)境污染兩大世界難題?，F(xiàn)如今太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電和燃料電池等新能源系統(tǒng)[1]受到廣泛關(guān)注，然而光伏電池模塊、燃料電池等輸出直流電壓較低，且易受光照強(qiáng)度和燃料電池的電化學(xué)特性的影響，光伏電池模塊和燃料電池輸出電壓是不穩(wěn)定的直流電，為了使這些電源滿足并網(wǎng)和用電設(shè)備的供電要求，需要使用寬電壓輸入、高增益DC/DC變換器[2，3]。傳統(tǒng)Boost變換器可以在一定程度上提高電壓增益，但若要實(shí)現(xiàn)高增益[4-5]，變換器將工作在占空比D接近1的狀態(tài)，這將導(dǎo)致開關(guān)管的導(dǎo)通損耗變大，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生較大輸入和輸出電流紋波，增大了開關(guān)管和輸出二極管的電壓應(yīng)力。級聯(lián)Boost變換器[6]能夠提高電壓增益，拓寬輸入電壓的變化范圍，但主電路中有多個(gè)開關(guān)管和電感，控制電路比較復(fù)雜，開關(guān)管和輸出二極管電壓應(yīng)力高?；陂_關(guān)電容的 Boost變換器電壓增益比傳統(tǒng)Boost變換器提高了1倍[5,7]，開關(guān)管和輸出二極管的電壓應(yīng)力較低，但其受電壓增益限制仍然無法實(shí)現(xiàn)寬電壓輸入，且輸入電流較大。二次型Boost變換器能滿足電壓高增益得到要求[8,9]，拓寬了輸入電壓的范圍，但開關(guān)管和輸出二極管的電壓應(yīng)力為VO，開關(guān)管的開關(guān)和導(dǎo)通損耗較大，輸出二極管的反向恢復(fù)損耗也較大，從而降低了變換效率。本文將開關(guān)電容和二次型Boost變換器的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，提出了一種帶開關(guān)電容的二次型Boost變換器，具有電壓增益高、輸入電壓變化范圍大[2]、開關(guān)管和輸出二極管的電壓應(yīng)力小、輸入電流紋波小、變換器效率高的優(yōu)點(diǎn)。

本文分析了變換器的工作原理及工作特性，搭建了1臺(tái)12 V輸入、60 V輸出、額定功率為20 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

1 傳統(tǒng)二次型Boost變換器

圖1為傳統(tǒng)二次型Boost變換器拓?fù)洌呻姼?L1、L2，電容 C1、C2，二極管 D1、D2、D3和開關(guān)管 S構(gòu)成。圖中，Vin為輸入電壓，Vo為輸出電壓，R為負(fù)載電阻。

圖1 傳統(tǒng)二次型Boost變換器拓?fù)銯ig.1 Topology of conventional quadratic Boost converter

圖2為變換器穩(wěn)態(tài)工作時(shí)在一個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)的2個(gè)開關(guān)模態(tài)。在穩(wěn)態(tài)情況下，由電感L1、L2的伏秒平衡可得

圖2 傳統(tǒng)二次型Boost變換器2個(gè)工作狀態(tài)Fig.2 Two operation states of conventional quadratic Boost converter

由式（1）、式（2）可得傳統(tǒng)二次型Boost變換器輸出電壓為

式中，D為占空比，表示為

開關(guān)管S和輸出二極管D3的電壓應(yīng)力為

可以看出二次型Boost變換器的電壓增益雖然比傳統(tǒng)Boost變換器有較大提高，但仍然有限，功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力等于輸出電壓，當(dāng)輸出電壓較高時(shí)會(huì)帶來很大的導(dǎo)通損耗。輸出二極管的電壓應(yīng)力也等于輸出電壓，將引起嚴(yán)重的反向恢復(fù)問題。

2 開關(guān)電容Boost變換器

圖3為傳統(tǒng)開關(guān)電容Boost變換器，它由電感L1，電容C1、C2、C3，二極管 D1、D2、D3和開關(guān)管S構(gòu)成。其中C1=C2=C3。

圖4為變換器穩(wěn)態(tài)時(shí)在一個(gè)工作周期Ts內(nèi)的2個(gè)開關(guān)模態(tài)。在穩(wěn)態(tài)情況下，根據(jù)電感L的伏秒平衡可得

由式（6）可得傳統(tǒng)開關(guān)電容Boost變換器電壓增益為

開關(guān)管S和輸出二極管D1的電壓應(yīng)力為

圖3 傳統(tǒng)開關(guān)電容Boost變換器Fig.3 Conventional Boost converter with a switched-capacitor

圖4 開關(guān)電容Boost變換器2個(gè)工作狀態(tài)Fig.4 Two operation states of Boost converter with a switched-capacitor

由式（8）可以看出，該變換器的電壓增益有限，開關(guān)管和輸出二極管的電壓應(yīng)力只有輸出電壓的一半，有利于減小開關(guān)管的導(dǎo)通損耗和二極管的反向恢復(fù)損耗。另外，電路中電感電流和紋波電流都較大，對器件要求較高。

3 帶開關(guān)電容的二次型高增益Boost變換器工作原理分析

3.1 變換器拓?fù)?/h3>

本文結(jié)合傳統(tǒng)二次型Boost變換器電壓增益高和開關(guān)電容Boost開關(guān)管及輸出二極管電壓應(yīng)力低的優(yōu)點(diǎn)，提出一種帶開關(guān)電容的二次型高增益Boost變換器拓?fù)洌鐖D5所示。它由電感L1、L2，二極管D1、D2、D3、D4、D5，電容C1、C2、C3、C4和開關(guān)管S組成。其中電容C2=C3=C4。

圖5 帶開關(guān)電容的二次型高增益Boost變換器拓?fù)銯ig.5 Topology of a quadratic high-gain Boost converter with a switched-capacitor

3.2 工作原理分析

為簡化分析，假設(shè)：①所有器件均是理想器件；②電容足夠大，在一個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)，輸出電壓和電容電壓保持恒定不變；③所有電感電流連續(xù)。

當(dāng)變換器工作在穩(wěn)態(tài)時(shí)，在一個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)共有2個(gè)工作模態(tài)，如圖6所示，其主要工作波形如圖7所示。

工作模態(tài)1[t0-t1]：如圖6（a）所示，開關(guān)S導(dǎo)通，輸入電壓為電感L1充電，電感電流iL1線性上升，二極管D1因承受反向電壓而關(guān)斷，D2承受正向電壓導(dǎo)通，同時(shí)儲(chǔ)能電容C1為電感L2充電，電感電流iL2線性上升，二極管D3、D5承受反向電壓關(guān)斷，D4承受正向電壓導(dǎo)通，電容C3、C4向負(fù)載釋放能量，同時(shí)電容C4通過D4向電容C2放電，電容C2儲(chǔ)能。在此工作模態(tài)中，電感L1、L2的電壓分別為

圖6 工作模態(tài)等效電路Fig.6 Equivalent circuits in different operation modes

圖7 主要工作波形Fig.7 Main operation waveforms

工作模態(tài)2[t1-t2]：如圖6（b）所示，開關(guān)S斷開，二極管D2承受反向電壓關(guān)斷，D1承受正向電壓導(dǎo)通，電感L1通過D1向電容C1和電感L2放電，電感電流iL1線性下降，電感L2和電容C2向電容C3、C4及負(fù)載放電，二極管D3、D5承受正向電壓導(dǎo)通。此過程中電感L1、L2電壓分別為

3.3 變換器工作特性分析

根據(jù)對圖6變換器的工作模態(tài)分析和電感L1、L2的伏秒平衡，可得

則輸出電壓的表達(dá)式為

即變換器的電壓增益為

由工作模態(tài)波形可得開關(guān)管和輸出二極管的電壓應(yīng)力為

3.4 比較分析

工作特性對比分析如表1所示。通過對表1中的電壓增益和開關(guān)管及二極管的電壓應(yīng)力比較分析可以看出，本文提出的新型高增益變換器的開關(guān)管電壓應(yīng)力和輸出二極管的電壓應(yīng)力比Boost變換器和二次型變換器的開關(guān)管的電壓應(yīng)力及輸出二極管的電壓應(yīng)力有所減小，因此，就可以選擇電壓等級較小的開關(guān)管和二極管。另外，本文提出的新型高增益變換器的電壓增益比其他三種變換器的電壓增益都要高，可以避免開關(guān)管發(fā)生直通的現(xiàn)象。電壓增益曲線如圖8所示。

表1 工作特性對比分析Tab.1 Comparative analysis of operation characteristics

圖8 電壓增益的比較Fig.8 Comparison of voltage gains

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證以上理論分析的正確性，搭建了1臺(tái)20 W的原理樣機(jī)，變換器主要參數(shù)為：輸入電壓Vin=12 V；輸出電壓Vo=60 V；開關(guān)管工作頻率f=50 kHz；輸出功率Po=20 W；電感L1=170 μH，L2=120 μH；電容C1=100 μF，C2=C3=C4=470 μF；負(fù)載電阻R=180 Ω。功率開關(guān)管S為IRF540N，二極管為MBR1045。

圖9～圖13為本文提出的新型高增益變換器在占空比為0.38時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。由圖9可以看出，當(dāng)輸入電壓12 V時(shí)，得到輸出電壓為60 V，實(shí)現(xiàn)了小占空比條件下的高增益變換，且輸出電壓紋波較小。由圖11可以看出，開關(guān)管的電壓應(yīng)力VS-stress為30 V，是輸出電壓的一半，與理論分析符合。由圖12可以看出，輸出二極管的電壓應(yīng)力VD3-stress為30 V，是輸出電壓的一半，與理論分析符合。由圖13可以看出，輸入電流iL1連續(xù)，且紋波較小。實(shí)驗(yàn)波形驗(yàn)證了理論分析的正確性。

圖9 輸入輸出電壓波形Fig.9 Waveforms of input and output voltages

圖10 驅(qū)動(dòng)信號和輸出電壓波形Fig.10 Waveforms of drive signal and output voltage

圖11 驅(qū)動(dòng)信號和開關(guān)管電壓應(yīng)力波形Fig.11 Waveforms of drive signal and voltage stress of switch

圖12 驅(qū)動(dòng)信號和二極管電壓應(yīng)力波形Fig.12 Waveforms of drive signal and voltage stress of diode

圖13 驅(qū)動(dòng)信號和電感電流波形Fig.13 Waveforms of drive signal and inductor current

5 結(jié)語

本文提出了一種帶開關(guān)電容的二次型高增益Boost變換器，在傳統(tǒng)二次型Boost變換器的基礎(chǔ)上引入開關(guān)電容單元，電壓增益得到了進(jìn)一步提高，輸入電壓范圍進(jìn)一步變寬。同時(shí)，該變換器的開關(guān)管電壓應(yīng)力和輸出二極管電壓應(yīng)力都很小，降低了開關(guān)管的導(dǎo)通損耗和輸出二極管的反向恢復(fù)損耗。另外，該變換器的輸入電流連續(xù)，輸出電壓紋波較小。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。

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