非隔離型Boost變換器拓撲結(jié)構(gòu)綜述

何煥文　王曉剛

摘要：非隔離型Boost變換器常用于不需要電氣隔離的直流升壓場合，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，對變換器性能要求越來越高，國內(nèi)外研究學(xué)者提出了多種提高Boost變換器性能的拓撲結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)分析了現(xiàn)有文獻中普遍采用的多種不同升壓技術(shù)的Boost變換器拓撲結(jié)構(gòu)，包括級聯(lián)結(jié)構(gòu)、交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)等，系統(tǒng)分析了各種拓撲結(jié)構(gòu)的工作原理，對電壓增益和開關(guān)器件電壓應(yīng)力進行對比，總結(jié)了各種拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，指出了新型Boost變換器采用拓撲復(fù)合型結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢，為研究和使用非隔離型Boost變換器提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：非隔離型變換器;高增益;拓撲結(jié)構(gòu);開關(guān)電容;開關(guān)電感

0 引言

隨著全球能源危機以及環(huán)境污染問題的日益嚴重，開發(fā)利用可再生能源勢在必行，光伏發(fā)電、燃料電池等新能源領(lǐng)域得到越來越多的關(guān)注。其中，Boost變換器作為新能源系統(tǒng)中的前級升壓單元成為了研究熱點。非隔離型Boost變換器采用電容、電感儲能元件完成能量的高效傳輸，具有體積小、成本低、電磁干擾小等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于不需要電氣隔離的中小功率場合。

隨著半導(dǎo)體器件技術(shù)的進步和更好的磁性材料的出現(xiàn)，促使升壓型DC-DC變換器性能提升，效率越來越高，應(yīng)用領(lǐng)域的擴寬也對變換器性能提出了更高的要求?，F(xiàn)有文獻中采用了多種不同升壓技術(shù)的拓撲結(jié)構(gòu)，如級聯(lián)結(jié)構(gòu)、交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)等，以實現(xiàn)Boost變換器的性能提升。各種開關(guān)拓撲和開關(guān)單元的排列組合，形成了大量的拓撲結(jié)構(gòu)容易讓人混淆，關(guān)于非隔離型Boost變換器綜述資料較少，基于此，本文對這些拓撲的演變過程進行了詳細分類和總結(jié)，為研究和使用非隔離型Boost變換器提供一定的參考依據(jù)。

1 傳統(tǒng)非隔離型Boost變換器

傳統(tǒng)的非隔離型Boost變換器采用電感、開關(guān)管和二極管組成升壓單元，如圖1所示。其中Vo為輸出電壓，Vin為輸入電壓，D為開關(guān)在一個周期中導(dǎo)通的占空比。開關(guān)管電壓應(yīng)力VS=Vo，輸出二極管電壓應(yīng)力VD=Vo。

根據(jù)伏秒平衡原理，輸出與輸入電壓比值：

根據(jù)增益公式，理論上只要開關(guān)占空比足夠大，就能獲得較高的升壓，但開關(guān)長期工作在極限占空比狀態(tài)下，電路的輸入側(cè)電流紋波增大，所需的儲能電感值變大;二極管的導(dǎo)電時間短且電流峰值很高，會造成很大的輸出電流紋波，導(dǎo)致輸出二極管嚴重的反向恢復(fù)問題和電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI），增加整個電路的器件損耗。

2 新型非隔離型Boost變換器

傳統(tǒng)的非隔離型Boost變換器電路在高升壓比的情況下存在升壓能力有限、功率密度低等缺點，因此提出了多種新型拓撲結(jié)構(gòu)。

2.1? ? 級聯(lián)型Boost變換器

級聯(lián)型Boost變換器由n個傳統(tǒng)Boost升壓單元串聯(lián)組成，如圖2（a）所示。級聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是不同級開關(guān)管可以工作在不同頻率狀態(tài)，總電壓增益為各個升壓單元增益總乘積，輸出電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)，大幅度提高了變換器電壓傳輸比，拓寬了輸入電壓范圍，適用于對電壓增益較高的場合。級聯(lián)型是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，前級單元輸出電壓作為后一級單元的輸入電壓，前級開關(guān)管的電壓應(yīng)力相對較低，后級單元開關(guān)管電壓應(yīng)力逐級增大，不利于高頻開關(guān)。輸出二極管的電壓應(yīng)力較傳統(tǒng)Boost變換器沒有改善，仍存在反向恢復(fù)問題。隨著級聯(lián)結(jié)構(gòu)的增多，大量元器件使系統(tǒng)可靠性降低，開關(guān)管數(shù)量的增多，使控制回路設(shè)計變得復(fù)雜。在此基礎(chǔ)上，提出了單開關(guān)級聯(lián)型Boost電路，如圖2（b）所示，電壓增益按冪次方遞增，n個級聯(lián)單元構(gòu)成的單開關(guān)級聯(lián)Boost變換器，電壓增益為1/（1-D）n，故稱為n次型Boost變換器。

以二次型單開關(guān)Boost變換器為例進行分析，如圖3所示。開關(guān)管電壓應(yīng)力VS=Vo，輸出二極管電壓應(yīng)力VD=Vo。

根據(jù)伏秒平衡原理，輸出電壓與輸入電壓比值：

二次型Boost變換器引入二極管，通過共用開關(guān)管減少開關(guān)損耗，簡化控制電路。與多開關(guān)級聯(lián)結(jié)構(gòu)相比，開關(guān)管和輸出二極管的電壓應(yīng)力仍然等于輸出電壓，同時還增加了二極管的數(shù)量，輸出二極管的反向恢復(fù)問題仍然存在。

2.2? ? 交錯并聯(lián)型Boost變換器

交錯并聯(lián)型Boost變換器由n個傳統(tǒng)Boost升壓單元相互并聯(lián)而成，共用輸入電源和輸出濾波電容，n個相交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)相鄰兩個相位開關(guān)管控制信號依次錯開2π/n，如圖4所示。開關(guān)管電壓應(yīng)力VS1=VS2=Vo，二極管電壓應(yīng)力VD1=VD2=Vo。

根據(jù)伏秒平衡原理，輸出與輸入電壓比值：

交錯導(dǎo)通的控制方法使各相電感電流紋波相互抵消，可以減小輸入電流紋波，輸入電感取值減小，從而提高變換器的動態(tài)響應(yīng)速度，電路中磁性元件的體積減小可以增加功率密度，還有利于降低變換器的電磁干擾（EMI）。交錯并聯(lián)型Boost變換器的增益與傳統(tǒng)Boost變換器增益相等，因此在高升壓比場合，開關(guān)占空比將非常大，升壓效率不理想。

2.3? ? 三電平Boost變換器

除了采用串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)，還可以通過三電平技術(shù)提高變換器性能。傳統(tǒng)Boost變換器開關(guān)管關(guān)斷時承受的電壓為Vo，利用兩個串聯(lián)電容將其電壓應(yīng)力分成兩份，用兩個串聯(lián)的開關(guān)管替代傳統(tǒng)變換器開關(guān)管，加入二極管構(gòu)成鉗位電壓源，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示。開關(guān)管S1、S2同時導(dǎo)通和關(guān)斷，則三電平Boost變換器運行模式與傳統(tǒng)Boost變換器相同，開關(guān)管S1、S2采用移相控制方法，兩個開關(guān)管驅(qū)動信號交錯導(dǎo)通。開關(guān)管電壓應(yīng)力VS1=VS2=Vo/2，輸出二極管電壓應(yīng)力VD1=VD2=Vo/2。

根據(jù)伏秒平衡原理，輸出與輸入電壓比值：

三電平Boost變換器開關(guān)管的電壓應(yīng)力和二極管電壓應(yīng)力較傳統(tǒng)Boost變換器大幅降低，有利于減小開關(guān)損耗，緩解二極管的反向恢復(fù)問題;交錯控制方法的實現(xiàn)有利于減小輸入電流紋波，減小磁性元件的體積和重量，節(jié)省成本和提高功率密度。不足之處在于，三電平Boost變換器電壓增益與傳統(tǒng)Boost變換器相同，不適用于輸入輸出變比要求高的工作場合，采用極限占空比來提高增益會產(chǎn)生嚴重的反向恢復(fù)問題。

2.4? ? 帶開關(guān)電容Boost變換器

利用開關(guān)電容結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)高升壓比的一種有效措施。開關(guān)電容有多種變形結(jié)構(gòu)，放置位置靈活，基本原理是根據(jù)電容電壓不能突變的特性，將電容等效為一個電壓源。開關(guān)電容的典型結(jié)構(gòu)是在充電階段對開關(guān)電容進行并聯(lián)充電，在放電階段向負載串聯(lián)放電，從而實現(xiàn)高升壓比。帶開關(guān)電容Boost變換器如圖6所示。開關(guān)管電壓應(yīng)力VS=Vo/2，輸出二極管電壓應(yīng)力VD=Vo/2。

根據(jù)伏秒平衡原理，輸出與輸入電壓比值：

帶開關(guān)電容升壓變換器的電壓增益較傳統(tǒng)Boost變換器提高2倍;開關(guān)管和二極管的電壓應(yīng)力都相應(yīng)降低，具有較小的損耗，轉(zhuǎn)換效率高。不足之處在于，開關(guān)電容單元工作過程中存在電容直接并聯(lián)的情況，變換器啟動時存在較大的脈沖電流，變換器難以實現(xiàn)較為靈活的電壓增益調(diào)節(jié)。

2.5? ? 帶開關(guān)電感Boost變換器

開關(guān)電感Boost變換器工作原理與傳統(tǒng)Boost變換器工作原理相似，由2個電感和3個二極管組成開關(guān)電感單元，用開關(guān)電感單元代替原有電感，如圖7所示。開關(guān)導(dǎo)通時利用二極管的單向?qū)ㄐ裕瑢崿F(xiàn)電感并聯(lián)充電，開關(guān)管關(guān)斷時電感串聯(lián)放電，通過控制開關(guān)管導(dǎo)通占空比來控制電壓增益。開關(guān)管電壓應(yīng)力VS=Vo，輸出二極管電壓應(yīng)力VD=Vo。

根據(jù)伏秒平衡原理，輸出與輸入電壓比值：

用開關(guān)電感代替普通電感可以很好地與其他拓撲結(jié)構(gòu)組合使用，但當帶開關(guān)電感Boost變換器工作于高升壓場合時，開關(guān)管和輸出二極管電壓應(yīng)力大，開關(guān)損耗大，二極管反向恢復(fù)問題嚴重。

2.6? ? 磁耦合型Boost變換器

磁耦合型Boost變換器是利用耦合電感代替普通電感而構(gòu)成的Boost變換器，兩個繞組共用磁芯，形成一對耦合電感，理想情況下忽略漏感，兩個繞組匝數(shù)比N=n2/n1，如圖8所示。

電壓增益由開關(guān)管的占空比和耦合電感匝數(shù)比共同決定，將電壓增益的控制維度從一維提升到二維，不依賴于調(diào)整占空比控制升壓，增加系統(tǒng)靈活度。開關(guān)管電壓應(yīng)力較傳統(tǒng)Boost變換器電壓低，可降低開關(guān)損耗，提高轉(zhuǎn)換效率。由于耦合電感副邊電壓，使得輸出二極管D所承受的電壓應(yīng)力大于輸出電壓，二極管反向恢復(fù)問題嚴重。耦合電感制作比普通電感復(fù)雜，實際應(yīng)用中往往還需要考慮漏感的存在，在開關(guān)管關(guān)斷瞬間，漏感與開關(guān)寄生電容發(fā)生諧振，開關(guān)兩端形成電壓尖峰，會導(dǎo)致變換器效率降低，因此磁耦合通常和軟開關(guān)技術(shù)組合使用。

2.7? ? 復(fù)合型Boost變換器

上文總結(jié)的6種升壓單元拓撲結(jié)構(gòu)都能在一定程度上改善變換器的性能，但對性能的提升存在局限。為了能全面提升Boost變換器性能，近年來提出的新型Boost變換器拓撲普遍由兩個甚至多個升壓單元結(jié)構(gòu)組合而成。

由二次型級聯(lián)結(jié)構(gòu)與開關(guān)電容結(jié)合形成的新拓撲如圖9（a）所示，電壓增益為二次型和開關(guān)電容的電壓增益乘積，開關(guān)管和輸出二極管電壓都減少了一半，包含了二次型結(jié)構(gòu)的高電壓增益和開關(guān)電容低電壓應(yīng)力的優(yōu)點。由交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)與三電平技術(shù)結(jié)合形成的新拓撲如圖9（b）所示，低電感電流紋波小，開關(guān)電壓應(yīng)力低，大大降低了損耗，提高了變換器效率。由交錯并聯(lián)、開關(guān)電容、耦合電感3個升壓結(jié)構(gòu)結(jié)合使用構(gòu)成的新拓撲如圖9（c）所示，可實現(xiàn)電壓增益、低電流紋波、低開關(guān)應(yīng)力的性能全面提升。

3 結(jié)語

綜上分析可知，級聯(lián)結(jié)構(gòu)能顯著提高電壓增益，但開關(guān)器件電壓應(yīng)力沒有改善;交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)能降低輸入電流紋波，對其他性能指標沒有提升;三電平結(jié)構(gòu)可以降低開關(guān)管和二極管電壓應(yīng)力，但對電壓增益沒有提高作用。開關(guān)電感、開關(guān)電容結(jié)構(gòu)簡單，可拓展性強，可很好地與其他拓撲結(jié)構(gòu)組合使用。復(fù)合型Boost變換器性能全面提升，成本相應(yīng)增加，實際應(yīng)用中要考慮具體需求再選用。磁耦合型電路由于耦合電感磁路設(shè)計復(fù)雜，目前關(guān)于磁耦合型電感的復(fù)合型Boost變換器比較少，但它的性能優(yōu)越，可替代普通電感結(jié)構(gòu)，有廣闊的研究前景。

[參考文獻]

[1] DANG B V，YVES L，JEAN P F，et al.New high power-high ratio non-isolated DC-DC boost converter for fuel cell applications[C]// 2006 37th IEEE Power Electronics Specialists Conference， 2017：1148-1154.

[2] 董政，張家志，趙思聰，等.級聯(lián)Boost變換器輸出電壓紋波分析[J].電源技術(shù)，2015，39（1）：155-157.

[3] 陳文明，黃如海，謝少軍.交錯并聯(lián)Boost PFC變換器設(shè)計[J].電源學(xué)報，2011（4）：63-67.

[4] ZHANG M T，JIANG Y，LEE F C，et al.Single-phase three-

level boost power factor correction circuit[C]// Applied Power Electronics Conference and Exposition APEC′95，1995：1434-1439.

[5] 侯世英，陳劍飛，孫韜，等.基于開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的DC-DC變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報，2014，29（10）：90-97.

[6] 高嵩，宋鶴，陳超波，等.開關(guān)電感Boost變換器建模與仿真分析[J].電源學(xué)報，2015，13（4）：77-84.

[7] 羅全明，高偉，呂星宇，等.耦合電感型高增益Boost變換器拓撲分析[J].中國電機工程學(xué)報，2017，37（24）：7266-7275.

[8] 曾怡達，李寶，唐麗，等.一種帶開關(guān)電容的二次型高增益Boost變換器的研究[J].電源學(xué)報，2018，16（1）：8-13.

[9] 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.

[10] 榮德生，段志田，李洪珠，等.帶開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的交錯并聯(lián)磁集成電感Boost變換器[J].電源學(xué)報，2019，17（4）：35-43.

收稿日期：2020-03-02

作者簡介：何煥文（1993—），男，廣東廣州人，碩士研究生，研究方向：電力電子技術(shù)，DC-DC變換器的應(yīng)用。