一種新型開關(guān)電感、開關(guān)電容的高增益Boost變換器

馬智文，曾怡達(dá)，楊輝金

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031）

隨著全球能源需求的日益加劇和傳統(tǒng)化石能源引起的環(huán)境問題，光伏、燃料電池等綠色能源得到不斷應(yīng)用和發(fā)展，而高增益的DC-DC變換器也受到了廣泛的研究和關(guān)注[1]，其應(yīng)用范圍日益增大[2-3]。

具有開關(guān)電感單元的Boost變換器[4]與傳統(tǒng)Boost傳感器相比，具有單個電感體積小、相互對稱、增益提升空間大的特點(diǎn)，但其輸入增益有限，且功率開關(guān)管電壓應(yīng)力等于輸出電壓，大功率開關(guān)管導(dǎo)通損耗較大，同時輸出端二極管承受的電壓應(yīng)力為輸出電壓，反向恢復(fù)問題較為嚴(yán)重；具有開關(guān)電容單元的Boost變換器[5]比之傳統(tǒng)Boost傳感器，具有開關(guān)管承受應(yīng)力較低、輸出端的二極管承受的反向電壓較小的特點(diǎn)，能保護(hù)元件，但其增益只有傳統(tǒng)Boost變換器的2倍，且電感電流平均值等于輸入電流的平均值，使得磁性元件體積增加，不利于變換器的拆裝。文獻(xiàn)[6]提出一種新型的多單元開關(guān)電感/開關(guān)電容有源網(wǎng)絡(luò)變換器，能提供一個較大的電壓增益并減小電壓應(yīng)力，可由多個開關(guān)電感、開關(guān)電容構(gòu)成；文獻(xiàn)[7]提出一種基于電壓升舉技術(shù)的新興開關(guān)技術(shù)，達(dá)到其高增益的效果。

本文綜合開關(guān)電感和開關(guān)電容的優(yōu)點(diǎn)，提出一種基于開關(guān)電感/電容的新型高增益Boost變換器，降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力，便于選擇導(dǎo)通電阻較小的功率開關(guān)管，減小開關(guān)管的導(dǎo)通損耗。該新型變換器具有增益大、輸入電壓范圍較寬、電感電流小、功率開關(guān)管和輸出二極管承受的電壓應(yīng)力小、結(jié)構(gòu)靈活、成本低、方便拆裝等優(yōu)勢。通過分析基于開關(guān)電感/電容的新型高增益Boost變換器的工作原理，得出其優(yōu)點(diǎn)，最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。

1 基于開關(guān)電感/電容的新型高增益Boost變換器工作原理分析

1.1 基本開關(guān)電感單元

圖1 傳統(tǒng)Boost電路Fig.1 Traditional Boost circuit

開關(guān)電感Boost變換器的電路拓?fù)淙鐖D2所示。圖2中，開關(guān)電感Boost單元（虛線框內(nèi)）由2個大小相等的電感 L1、L2和 3 個二極管 D1、D2、D3組成。當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通時，二極管D1、D3正向?qū)?，D2反向截止，L1、L2由輸入電壓Ui充電；當(dāng)開關(guān)管S斷開時， 二極管 D2正向?qū)ǎ珼1、D3反向截止，L1、L2串聯(lián)對負(fù)載放電。

圖2 開關(guān)電感Boost變換器的電路拓?fù)銯ig.2 Circuit topology of Boost converter based on the switched inductor

開關(guān)電感Boost變換器具有以下優(yōu)點(diǎn)：①電感的平均電流比較?。虎贚1、L2的工作模態(tài)相互對稱，便于集成于同一個磁芯；③有利于提高增益。

開關(guān)電感Boost變換器存在以下缺點(diǎn)：①增益較?。虎诠β书_關(guān)管承受的電壓應(yīng)力等于輸出電壓，過高的開關(guān)管電壓應(yīng)力使得開關(guān)管的導(dǎo)通電阻值增大，增加導(dǎo)通損耗；③輸出側(cè)二極管電壓應(yīng)力為輸出電壓，承受的電壓應(yīng)力大，反向恢復(fù)問題嚴(yán)重，增益是，開關(guān)管S承受的電壓應(yīng)力是Vo。

開關(guān)電容Boost變換器的電路拓?fù)淙鐖D3所示。圖3中，開關(guān)電容Boost單元（虛線框內(nèi)）由3個大小相等的電容 C1、C2、C3和 3 個二極管 D1、D2、D3組成。當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通時，C2、C3釋放能量，C1儲能；當(dāng)開關(guān)管S關(guān)斷時，C1釋放能量，C2、C3儲能，同時C1提高輸出電壓，提高了增益。

圖3 開關(guān)電容Boost變換器的電路拓?fù)銯ig.3 Circuit topology of Boost converter based on the switched capacitance

開關(guān)電容Boost變換器具有以下優(yōu)點(diǎn)：功率元件承受的電壓應(yīng)力較小，從而可以選擇導(dǎo)通電阻小的功率元件，減小導(dǎo)通損耗。

開關(guān)電容Boost變換器存在的缺點(diǎn)是：①增益較小，僅為傳統(tǒng)Boost變換器的2倍；②輸入電流的平均值為電感電流的平均值，增加磁性元件的體積，拆裝困難。

1.2 基于開關(guān)電感/電容的新型高增益Boost變換器的工作過程

圖4所示是基于開關(guān)電感/電容的新型高增益Boost變換器的原理。與傳統(tǒng)Boost電路（圖1）相比，將其電感和電容分別替換為開關(guān)電感單元和開關(guān)電容單元，由電感 L1、L2，電容 C1、C2、C3，二極管 D1、D2、D3、D4、D5、D6及開關(guān)管 S 構(gòu)成，其中 Vi為輸入電壓，R為負(fù)載。

圖4 基于開關(guān)電感/電容的新型高增益Boost變換器Fig.4 New high-gain Boost converter based on switched inductor/capacitance

為簡化分析，假設(shè)二級管、開關(guān)管、電容、電感均為理想元件，開關(guān)變換器的開關(guān)頻率fs遠(yuǎn)大于其最大特征頻率，在一個開關(guān)周期內(nèi)，輸入電壓保持不變，D為開關(guān)位導(dǎo)通時間占空比，所有的電感均工作在電流連續(xù)CCM（current continuous mode）狀態(tài)。圖5為基于開關(guān)電感/電容的新型高增益Boost變換器在一個開關(guān)周期內(nèi)的開關(guān)狀態(tài)。

（1）工作狀態(tài) 1（0≤t≤DTs）

當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通時，由圖5（a）可知，二極管D2承受反向電壓而截止，D1、D3承受正向電壓而導(dǎo)通，輸入電壓Ui通過開關(guān)管S為電感L1和L2充電，電感電流線性上升；C2、C3共同釋放能量給負(fù)載以維持電壓穩(wěn)定，C1通過C3放電來儲存能量至充滿。D4、D5承受反向電壓而截止，D6承受正向電壓導(dǎo)通，且C2與串聯(lián)構(gòu)成回路。

圖5 基于開關(guān)電感/電容的新型高增益Boost變換器的開關(guān)工作狀態(tài)Fig.5 Two operation states of a new high-gain Boost converter based on switched inductor/capacitance

在該工作階段，各個元器件的電壓分別為

（2）工作狀態(tài) 2（DTs≤t≤Ts）

當(dāng)開關(guān)管S關(guān)斷時，由圖5（b）可知，二極管D1、D3承受反向電壓而截止，D2承受正向電壓而導(dǎo)通，電感L1和L2串聯(lián)釋放能量，給負(fù)載端放電，電感L1和L2的電流線性下降；D6承受反向電壓反向截止，D4、D5承受正向電壓導(dǎo)通，C1釋放能量給 C2、C3儲存能量，當(dāng)C1上的電壓和C2上的電壓相等時，C2又開始和C1一起放電給C3充電至充滿。C1釋放的能量能提高輸出電壓，且使得C2、C3能具有自均壓能力。

在該工作階段，各個元器件的電壓分別為

根據(jù)式（6）~式（9），有

1.3 對工作狀態(tài)分析得出的結(jié)論

根據(jù)電感伏秒（磁鏈）平衡原理——一個穩(wěn)定運(yùn)周期內(nèi)，電感電流的凈變化量為零，結(jié)合式（1）和式（11），得出伏秒平衡公式

增益α的表達(dá)式為

根據(jù)式（3）~式（5），功率開關(guān)管電壓應(yīng)力表達(dá)式為

根據(jù)式（8）~式（10），輸出側(cè)的二極管的電壓應(yīng)力表達(dá)式為

2 穩(wěn)態(tài)特性分析

采用時間平均等效原理對所提出的基于開關(guān)電感/開關(guān)電容的高增益Boost變換器進(jìn)行直流穩(wěn)態(tài)分析，其直流穩(wěn)態(tài)等效電路如圖6所示。

圖6 基于開關(guān)電感/開關(guān)電容的新型高增益Boost變換器直流穩(wěn)態(tài)等效電路Fig.6 Stable DC equivalent circuit of a new high-gain Boost converter based on switched inductor/capacitance

圖6中當(dāng)電路工作在直流穩(wěn)態(tài)，電感可以看作短路，電容可以看作開路，可得基于開關(guān)電感/電容的新型高增益Boost變換器的電壓傳輸比和變量關(guān)系，即

功率元件的電壓應(yīng)力為

3 實(shí)驗(yàn)論證

本文設(shè)計(jì)了一臺規(guī)格為輸入電壓12 V、輸出電壓72 V、輸出電流1.97 A、輸出功率為20 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，如圖7所示，驗(yàn)證本文提出變換器的工作原理。

圖7 主電路實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig.7 Experiment prototype of main circuit

采用如表1所示的主電路參數(shù)對本文提出的基于開關(guān)電感/電容的新型高增益Boost變換器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證理論分析結(jié)果。

表1 基于開關(guān)電感/電容的新型高增益Boost變換器主電路參數(shù)Tab.1 Main circuit parameters of a new high gain Boost converter based on switched inductor/capacitance

如圖8所示為基于開關(guān)電感/電容的新型高增益Boost變換器的實(shí)驗(yàn)波形。圖8（a）中，當(dāng)輸入電壓為 12 V,輸出電壓為 72 V,與式（14）、式（19）結(jié)果相符。圖8（d）中，當(dāng)輸出電壓為72 V,功率開關(guān)管S承受的電壓應(yīng)力為36 V,與式（15）、（22）相符。如圖8（e）所示，當(dāng)輸出電壓為72 V,輸出端二極管D4承受的電壓應(yīng)力為36 V,與式（16）、（23）相符。如圖8（b）和圖8（c）所示，輸入電流為 1.97 A，效率為85%。表2為工作特性對比分析，表2進(jìn)一步說明了本電路的優(yōu)越性。

圖8 基于開關(guān)電感/電容新型高增益Boost變換器實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Experimental waveforms of a new high-gain Boost converter based on switched inductor/capacitance

表2 工作特性對比分析Tab.2 Comparative analysis of operating characteristics

從表2能直觀看出，本文提到的新型變換器的優(yōu)勢，主要是能夠增大電路增益，減小元器件電壓應(yīng)力。

因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

4 結(jié)語

基于開關(guān)電感/電容單元的特點(diǎn)，提出了一種新型的高增益Boost變換器，它結(jié)合了開關(guān)電感、開關(guān)電容的優(yōu)點(diǎn)，降低功率器件承受的電壓應(yīng)力，為傳統(tǒng)拓?fù)涞囊话?，所以開關(guān)管的導(dǎo)通損耗和二極管的反向恢復(fù)損耗直流降低，增益較高。使得這種新型開關(guān)電感/電容的新型高增益Boost變換器能夠應(yīng)用于直流增益較大、功率元件承受的電壓應(yīng)力較低、輸入電流連續(xù)、輸入電壓范圍寬的場合，且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析。

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