一种带三绕组耦合电感的级联型高增益功率变换器

同济大学电气工程系的研究人员吴琨、钱挺，在2017年第20期《电工技术学报》上撰文，提出一种带三绕组耦合电感的级联型高增益功率变换器。采用三绕组耦合电感、开关电容技术和级联结构，该变换器可实现更高电压增益。

变换器的输入电感可有效降低输入电流纹波，从而减小输入电源应力。此外，耦合电感的漏感能量由输出端回收利用，提升效率的同时，能够抑制开关管的电压尖峰，降低其电压应力。

详细分析带三绕组耦合电感的级联型高增益功率变换器的工作原理，以及连续导通模式下变换器的稳态性能。最后搭建一台30V输入、380V/0.3A输出的实验样机，实验结果验证了理论分析的正确性。

随着可再生能源渗透率不断提高，光伏电池、燃料电池在其并网中发挥着愈加重要的作用[1,2]。由于光伏电池、燃料电池单体输出电压低（小于50V），需经高增益功率变换器升压至直流高压（通常为380V或760V），以满足后级要求[3-5]。传统Boost变换器实际电压增益有限，且电压电流应力高、效率低，无法满足上述应用要求[6]。

通常，提升变换器增益的方法主要有：变换器级联[7-9]、输出串联[10,11]、采用耦合电感[12-14]以及增加开关电容[15-18]。变换器级联虽能有效提升电压增益，但存在拓扑结构和控制方式复杂等不足，且环路设计相对困难[19]。

文献[7]通过共用开关管，简化了传统级联型Boost变换器的电路拓扑及控制，然而级联结构中器件数量仍较多，且器件电压应力高。为此，文献[8]采用级联结构，并引入开关电容以进一步提升电压增益，降低器件电压应力，然而拓扑中磁心数量较多、系统成本较高。变换器输出串联是另一种提升电压增益的有效方案。

文献[11]将Boost变换器和Flyback变换器的输出串联，并通过电感耦合和共用开关管，实现高电压增益的同时简化了电路拓扑结构。在此基础上，文献[20]将变换器级联与输出串联方式结合，提出了一种新的高增益拓扑。

上述两种变换器[11,20]通过设计耦合电感的匝比，可对输出电容电压和二极管应力进行合理分配，且漏感能量由输出端回收，但需要极高的电压增益时，会存在磁心体积大、漏感大、器件应力高、输入电流纹波大等问题。此外，有学者提出了三绕组耦合电感的高增益方案[21-23]，该方案在提高电压增益的同时，能增加电压增益调节的灵活性，器件电压应力分配也更加合理。

本文提出了一种带三绕组耦合电感的级联型高增益功率变换器。基于文献[23]中的高增益方案，本文提出的变换器只需增加一个电感和一个二极管，在保留原有方案优点的前提下，可实现更高电压增益。

此外，相对于原方案的输入电流断续，新加入的电感能有效降低输入电流纹波，减轻输入电源应力。同时，所提出的变换器将原方案中三路串联输出减少至两路串联输出，可减小输出电容的容量和体积，提高变换器的功率密度。

图2 本文提出的高增益功率变换器拓扑

图3 本文提出的高增益功率变换器等效电路

结论

本文提出了一种带三绕组耦合电感的级联型高增益功率变换器，并详细分析其工作原理，最后设计并搭建样机进行实验验证。实验表明本文提出的变换器具有如下特点：

1）拓扑只需单个开关管，控制及驱动简单可靠。

2）采用三绕组的耦合电感、开关电容技术以及级联方式，实现了更高电压增益。

3）通过合理设计三绕组耦合电感的匝比，可实现输出电容和二极管电压应力的灵活分配。

4）漏感能量由输出端回收，提升效率的同时，抑制了开关管两端的电压尖峰，降低了开关管的电压应力。因此，可选用低耐压的高性能开关器件，以进一步提高变换效率。

5）输入电感有效降低了输入电流纹波，减小了输入电源应力，有利于延长可再生能源系统中光伏电池和燃料电池的寿命。