【学术论文】单开关低电压应力的高增益Boost变换器

   摘 要 ：

为了将分布式发电系统中光伏板、燃料电池等的低压直流电转换成高压直流电，提出一种带有泵升电容的基于开关电容与开关电感网络的高增益DC/DC变换器。该变换器进一步提高了电压增益，减小了功率器件的电压应力。采用磁集成技术，将两个电感绕在同一磁芯上形成耦合电感，提高了变换器的功率密度。最后，分析了该拓扑的基本工作原理，并制作了一台输入电压为30 V，输出电压为380 V，额定功率为200 W的样机，实验结果证实了理论分析的正确性。

中文引用格式： 丁杰，赵世伟，文楚强. 单开关低电压应力的高增益Boost变换器[J].电子技术应用，2019，45(12)：125-128.
英文引用格式： Ding Jie，Zhao Shiwei，Wen Chuqiang. High step-up low-voltage stress boost converter with single-switch[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(12)：125-128.

0

引言

随着不可再生资源的消耗，使得发展绿色能源成为必然。而以新能源为首的光伏发电、燃料电池等输出的电压较低，为满足能与大电网并网运行，必须将光伏板、燃料电池输出的低压升高很多倍^[1-3]。传统的Boost变换器输出电压增益有限，且开关管的电压应力较大。

目前，基于Boost变换器，提出了许多新型高增益升压变换器。文献[4-5] 提出了级联型Boost升压变换器，但所用功率器件多，效率低下，且后级功率器件电压应力较高。文献[6]提出了采用泵升电容高增益直流变换器，该变换器将基于泵升模块的级联型升压变换器前一级的输出电容和二极管去掉，进而可以将增益扩大一倍，但其开关管和输出二极管的电压应力较大，且该变换器的电压增益仍然有限。文献[7-9]提出了基于耦合电感的高增益变换器，利用增加耦合电感绕组匝比来提高输出电压增益，但这样会导致耦合电感漏感增加，进而使得开关管关断时存在很高的电压尖峰，容易损坏开关管，加入箝位电路又会增加变换器的复杂性和损耗。

本文以文献[6]的拓扑结构为基础，通过对电路结构加以改进，提出了单开关低电压应力的高增益Boost变换器。该变换器引入了开关电感和开关电容网络使得电压增益进一步提高，降低了开关管、二极管的电压应力，减少了开关管的数量。

1

变换器拓扑分析

1.1 变换器拓扑结构

图1给出了本文提出的单开关低电压应力的高增益Boost变换器的拓扑结构，该拓扑主要由开关电感网络(L₁、L₂、D₂、D₃、D₄)、开关电容网络(C₁、C₂、D₅、D₆)、泵升电容CC组成。为了进一步提高变换器的功率密度，L₁、L₂绕在同一个磁芯上，组成耦合电感。

1.2 工作模态分析

为了分析的方便，假设：(1)所有器件不考虑寄生参数，均是理想器件；(2)电容C₁、C₂、C₀、C_C很大，其电压纹波可以忽略不计；(3)电路工作在连续导通模式(CCM)。

该变换器稳态工作时，在一个开关周期T_S内共有2个开关模态，各个开关模态的主要工作波形及等效电路分别如图2、图3所示，各开关模态的主要工作过程如下所述。

(1)工作模态1[t₀-t₁]：在此阶段中，开关管S导通，二极管D₁、D₂、D₄、D₇导通，D₃、D₅、D₆关断。泵升电容C_C和耦合电感L₁、L₂并联充电，与此同时，C₁、C_C、C₂、C₀形成串联回路，C₁、C₂放电，C₀、C_C充电。

(2)工作模态2[t₁-t₂]：在此阶段，开关管S关断，二极管D₃、D₅、D₆导通，D₁、D₂、D₄、D₇关断。耦合电感L₁、L₂和泵升电容C_C串联放电，C₁、C₂并联充电，输出电容C₀对负载放电。

2

性能分析

2.1 电压增益M

当开关管S导通时，L₁、L₂、C_C并联充电，同时C₁、C₂串联放电。

此时耦合电感L₁、L₂的电压为：

当开关管S关断时，L₁、L₂、C_C串联放电，C₁、C₂并联充电。

此时耦合电感L₁、L₂的电压为：

2.2 电压应力

开关管S、二极管D₁、D₅、D₆、D₇电压应力为：

图4给出了元器件电压应力随占空比变化的曲线。由图4可知，所有元器件的电压应力都远小于输出电压Uo，可以采用低电压应力、高性能的开关管和二极管，进而提高整个电路的效率和可靠性，降低电路的成本。

2.3 各项性能参数比较

表1所示为传统Boost变换器、文献[6]提出的变换器与本文提出的变换器各项性能参数的对比，其中M为变换器输出电压增益，U_S-stress为开关管电压应力，U_D-stress为输出二极管电压应力。由表1可知，本文所提出的变换器具有更高的电压增益，且开关管和输出二极管的电压应力更低，可选取低电压等级、低导通电阻的开关管，提高变换器的效率，降低电路成本。相对于文献[6]，本文提出的变换器开关管和电感数量更少，但二极管数量较多。

3

实验结果与分析

为了验证以上分析的正确性，搭建了一台200 W的原理样机，实验所需主电路参数如表2所示，所测得的波形如图5所示。

由图5(c)可见，当占空比约为0.7时，完成了30 V到380 V的高增益转换，避免了极限占空比的出现，电容C₁、C_C的电压与理论计算值相符。图5(a)给出了部分二极管和开关管漏源极的电压波形，可以看出二极管和开关管的电压应力与理论计算值相符，满足低电压应力要求。由图5(b)可以看出二极管的电流波形与理论分析基本相同，而电感L₁、L₂的电流上升的斜率并非完全相同，这是因为制作电感时L₁、L₂会有一定的误差，导致L₁大于L₂。上述波形在开关管动作时均会出现震荡，主要原因是二极管的结电容与电路中的寄生电感发生了谐振。

图6为变换器的效率随输出功率变化的曲线，可以看出满载时效率最高，为90.8%。

4

结论

提出一种单开关低电压应力的高增益Boost变换器，分析了该变换器的工作原理、性能特点，并通过实验验证理论分析的正确性。该拓扑通过泵升电容与开关网络单元的巧妙结合，能够进一步提高电压增益，降低功率器件的电压应力，且拓扑结构简单，采用单开关实现电路工作模态的转换，降低了电路成本。基于上述优点，该变换器可用于需要高增益DC/DC变换器的新能源场合。

参考文献

[1] ANDRADE A M S S，SCHUCH L，MARTINS M L D S.Analysis and design of high-efficiency hybrid high step-up DC-DC converter for distributed PV generation systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2019，66(5)：3860-3868.

[2] 赵新宽，陈燕东，张镇强，等.基于CLD模块的高增益二次升压直流变换器[J].电子技术应用，2018，44(5)：155-158.

[3] YU D S，YANG J，XU R D，et al.A family of module-integrated high step-up converters with dual coupled inductors[J].IEEE Access，2018，8：16256-16266.

[4] VINNIKOV D，ROASTO I，STRZELECKI R，et al.Step-up DC/DC converters with cascaded Quasi-Zsource network[J].IEEE Transactions on Industrial Electronis，2012，59(10)：3727-3736.

[5] 熊泽成，尹强，任晓丹.高增益隔离DC/DC变换器的研究[J].电气传动，2017，47(12)：39-43.

[6] 屈克庆，梁晓霞，赵晋斌，等.一种带有泵升电容的新型高增益升压直流变换器[J].电力系统自动化，2014，38(19)：102-107.

[7] 罗全明，张阳，闫欢，等.一种带耦合电感的有源钳位高增益Boost变换器[J].中国电机工程学报，2014，34(27)：4576-4583.

[8] AJAMI A，ARDI H，FARAKHOR A.A novel high step-up DC/DC converter based on integrating coupled inductor and switched-capacitor techniques for renewable energy applications[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2015，30(8)：4255-4263.

[9] 林雪风，许建平，周翔.谐振软开关耦合电感高增益DC-DC变换器[J].电工技术学报，2019，34(4)：747-755.

作者信息:

丁  杰，赵世伟，文楚强

(华南理工大学 电力学院，广东 广州510640)

原创声明：此内容为AET网站原创，未经授权禁止转载。