帶開關電容網絡的交錯并聯高增益Boost變換器

陸治國 鄭路遙 馬召鼎 劉捷豐 秦煜森

（重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室 重慶 400044）

1 引言

面對日益嚴峻的能源危機和環境污染問題，尋找新能源來替代日益枯竭的化石能源已成為當務之急。在新能源領域中，光伏發電、風力發電和燃料電池發電是主要的研究方向[1-3]。氫能因其具有清潔、高效及充足等優勢而得到重視，并且已有很多實際的應用。燃料電池具有輸出電壓低，輸出電流大的特性，因此為了正常使用燃料電池，需要在燃料電池和負載之間加入一級升壓變換器[4]。

燃料電池應用在較大功率場合時，傳統 Boost變換器存在許多缺陷：由于輸入電流較大，在磁性元件設計時，電感磁心和線圈繞線的設計比較困難；同時，傳統Boost變換器較大的輸入電流紋波降低了燃料電池的使用壽命[5-11]。所以在較大功率場合，大多使用多個模塊并聯的方式。其中交錯并聯是一種最常用的方式。

使用交錯并聯具有如下優勢[12,13]：各相電感電流紋波相互抵消，可以減小輸入電流紋波；輸出功率平均分配到各個變換通道中，增加變換器的功率等級，改善了散熱；減小了輸入噪聲。但由于其電壓增益和傳統單相 Boost變換器是相同的，增益較低，而且其開關器件的電壓應力高。因此它不適宜應用于低壓輸入、高壓輸出的場合。

針對傳統交錯并聯Boost變換器的缺陷，本文提出了一種新穎的升壓變換器——帶開關電容網絡的交錯并聯高增益 Boost變換器。與傳統兩相交錯并聯Boost變換器相比較，新拓撲不僅能在相同的占空比下實現更高的電壓增益，而且還大大降低了開關器件的電壓應力，同時輸入電流紋波也很小。

2 工作原理

帶開關電容網絡的交錯并聯高增益Boost變換器的拓撲結構如圖 1所示，在傳統兩相交錯并聯Boost變換器的基礎上增加了一個二極管 VD1和兩個開關電容C1、C2，并進行改進（見圖1中線框），所以稱其為帶開關電容網絡的交錯并聯高增益Boost變換器。

圖1 帶開關電容網絡的交錯并聯高增益Boost變換器Fig.1 Interleaved high gain Boost converter with switched capacitor network

在分析新拓撲工作原理時，假設所有功率開關器件為理想器件，采用交錯并聯控制策略，開關管S1和S2的占空比D相同，S1和S2交錯180°工作。

當交錯并聯的電感工作在電流連續模式 (CCM)，由于新拓撲工作在0＜D＜0.5和0.5≤D＜1時，開關模態有所差別，以下分別加以討論。

2.1 0＜D＜0.5

在1個開關周期Ts內新拓撲有4種開關模態，分別稱為模態1、模態2、模態3、模態4，其開關模態特征表見表1。模態1～模態3的等效電路如圖 2a～圖2c所示，模態4的等效電路與模態2相同。

表1 0＜D＜0.5時的開關模態特征表Tab.1 States of switch at 0＜D＜0.5

圖2 0＜D＜0.5時各模態的等效電路Fig.2 Equivalent circuit of each mode at 0＜D＜0.5

模態 1：開關管 S1導通、S2斷開。電路中有 3個回路。回路1由電源Vg、電感L1和開關S1構成，電感L1電流iL1上升。回路2由電源Vg、電感L2、電容 C2、二極管 VD2、電容 C1和開關 S1構成，電感L2的電流iL2下降，電容C2放電，電壓vC2下降，電容C1充電，電壓vC1上升。回路3的負載由電容Co供電。

其他模態的分析方法與模態1分析類似。由各模態的等效電路可以得到狀態方程。其中，模態 1中

根據這4種開關模態的狀態方程，可以得到一個開關周期Ts中的主要工作波形，如圖3所示。

圖3 0＜D＜0.5時新拓撲的主要工作波形Fig.3 Key operation waveforms of the new topology at 0＜D＜0.5

2.2 0.5≤D＜1

當占空比大于等于0.5時，1個工作周期同樣可以分為4個開關模態。其開關模態特征表見表2，各模態的等效電路如圖4所示，模態3的等效電路與模態1相同。

表2 0.5≤D＜1時的開關模態特征表Tab.2 States of switch at 0.5≤D＜1

圖4 0.5≤D＜1時各模態的等效電路Fig.4 Equivalent circuit of each mode at 0.5≤D＜1

模態 1：開關管 S1、S2導通。電路中電流有 3個回路。回路1由電源Vg、電感L1和開關S1構成，電感 L1電流 iL1上升。回路 2由電源 Vg、電感 L2和開關S2構成，電感L2的電流iL2上升，電容C1、C2上的電壓保持不變。回路 3，負載由電容 Co供電。

0.5 ≤D＜1時，其他模態的分析方法與模態 1分析類似。采用同樣的方法，可以列出狀態方程，得到一個開關周期 Ts中拓撲的主要工作波形，如圖5所示。

圖5 0.5≤D＜1時新拓撲的主要工作波形Fig.5 Key operation waveforms of the new topology at 0.5≤D＜1

3 穩態工作性能分析

3.1 穩態電壓增益

基于拓撲在0＜D＜0.5下的工作原理，做小紋波近似，穩態時忽略電感電流、電容電壓紋波和開關占空比擾動，可以得到下面穩態關系式：

由式（5）可見電容 C1上的電壓 VC1與輸入電壓Vg的關系為1/(1-D)2；電容C2上的電壓VC2與輸入電壓Vg的關系為1/(1-D)。由式（6）可知，輸出電壓是輸入電壓的 (2-D)/(1-D)2倍，可見兩電容C1、C2的加入提升了輸出電壓。

同理，可得0.5≤D＜1時

由式（7）可以看出在一個周期內，電容 C1上的電壓是電容 C2上電壓的兩倍，輸出電壓是電容C2上電壓的 3倍。由式（8）得出，輸出電壓是輸入電壓的3/(1－D)。

圖6給出了新拓撲與傳統兩相交錯并聯拓撲的電壓增益對比曲線（曲線A為新拓撲，曲線B為傳統兩相交錯并聯拓撲）。由分析可得到新拓撲以占空比0.5為分界點（如實線網格線所示），輸入輸出增益關系式是不同的。由圖6可以看出，當占空比在0.5～0.8時，新拓撲的增益為6～15，特別符合燃料電池大部分應用場合所需要的電壓增益。

圖6 新拓撲電壓增益（曲線A）與傳統兩相交錯并聯拓撲電壓增益（曲線B）的比較Fig.6 Comparison of the voltage gain between the new topology (line A)and the traditional two phase interleaved topology (line B)

3.2 開關器件的電壓應力

表3給出了新拓撲在兩種不同占空比情況下，開關管和二極管的最大電壓應力，為便于比較還列出了傳統兩相交錯并聯Boost變換器相應的應力。

表3 新拓撲與傳統兩相交錯并聯拓撲對比Tab.3 The comparison between the new topology and the traditional topology

由表 3可以看出，新拓撲在占空比 0.5≤D＜1時，開關管S1、S2和二極管VD3的電壓應力僅為輸出電壓的1/3，二極管VD1、VD2的最大電壓應力為輸出電壓的 2/3，從而可以選擇低耐壓值低導通電阻的開關管和二極管，電壓應力的降低同時也減少了器件在導通和關斷時的開關損耗；新拓撲在占空比0＜D＜0.5時，開關管和二極管的電壓應力相比于傳統兩相交錯并聯Boost也是有所降低的，但是在占空比0.5≤D＜1時具有更為明顯的優勢。

3.3 升壓電感與輸入電流的電流紋波

根據圖4的0.5≤D＜1各模態等效電路分析可知，當變換器中兩升壓電感值相等，即L1=L2=L時，每個升壓電感的電流紋波的峰峰值是相等的。

由于交錯并聯結構的引入，變換器輸入電流為兩個升壓電感電流之和，輸入電流紋波可表述為

式（10）與傳統兩相交錯并聯 Boost變換器輸入電流紋波公式相同。隨著交錯并聯結構的引入，新拓撲保留了傳統兩相交錯并聯 Boost變換器的優點。

4 實驗驗證

為了驗證理論分析的正確性，對新拓撲進行實驗研究，實驗參數如下：Vg=24V，Po=140W，Vo=200V，fs=100kHz，L1=L2=400μH，C1=10μF，C2=100μF，Co=22μF。主開關管 S1、S2選用 IRF540，二極管 VD1、VD2選用 MBR20200，VD3選用MBR20100。在實際應用中，新拓撲適宜工作在0.5≤D＜1。圖7為新拓撲工作在0.5≤D＜1時的實驗波形。

圖7 實驗波形Fig.7 Experimental waveforms

圖7a為開關S1和S2的電壓應力波形。從圖中可見，開關管S1漏源極間的電壓，約為67V，是輸出電壓的1/3；開關管S2與S1的電壓應力相等，都僅為輸出電壓的1/3。

圖7b與圖7c給出了三個二極管的電壓應力波形。其中圖7b為二極管VD1、VD2的電壓應力波形，兩個二極管的電壓應力呈階梯狀，其電壓在136V、67V和0V之間變換，最大電壓應力（約為136V）大約是輸出電壓的2/3；圖7c為輸出二極管VD3的電壓應力波形，可見輸出二極管VD3的最大電壓應力約為67V，大約是輸出電壓的1/3。

由于開關電容具有提升電壓的作用，其上的電壓必須穩定，圖7d為開關電容C1的波形，由波形可以看出電容 C1上的電壓平均值約為 136V，是輸出電壓的2/3。并且其波形形狀與分析的一致。

圖7e是升壓電感 L1、L2的電流紋波波形的比較，可見兩個升壓電感的電流紋波峰峰值相等，約為1A。圖7f是輸入電流波形，電流紋波峰峰值約為0.45A。比較圖7e和圖7f可知，交錯并聯的引入，輸入電流的紋波峰峰值比電感電流紋波要小得多。

實驗結果與理論分析一致。

5 結論

本文提出了一種新穎的升壓變換器——帶開關電容網絡的交錯并聯高增益 Boost變換器，相比傳統兩相交錯并聯Boost變換器，理論分析和實驗結果都表明，新拓撲具有下列優點。

（1）在相同占空比下電壓增益高，非常適合應用于低壓輸入、高壓輸出的場合。

（2）開關器件的電壓應力低。特別是0.5≤D＜1時，新拓撲大部分開關器件的電壓應力只有輸出電壓的1/3。

（3）保持了傳統兩相交錯并聯Boost變換器輸入電流紋波小的優點，適用于大功率應用場合。

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