具有磁集成開關電感單元的直流變換器

李洪珠，曹人眾，張 壘

（1.遼寧工程技術大學電氣與控制工程學院，葫蘆島 125105;2.國網遼寧省電力有限公司遼陽供電公司，遼陽 111000）

隨著清潔能源的不斷發展，高性能的直流變換器也受到了普遍關注。近年來，為了提高直流變換器的電器性能，高電壓增益DC-DC 變換器廣泛應用于不間斷電源、光伏和燃料電池新能源系統等工業領域[1-5]。近年來為了提高直流變換器的性能，很多學者將開關電感單元和磁集成技術應用到其中，不僅推動了新能源的發展，還為實驗研究提供了依據[6-11]。

現階段已有學者對Boost 變換器進行研究與拓展。文獻[6]提出了一種基于開關電感的有源網絡升壓變換器，該變換器具有較高的電壓增益，降低了開關管的電壓應力，但未考慮將各個電感進行磁集成技術，減小電感電流紋波與變換器整體體積；文獻[7]提出一種基于開關電容和耦合電感的4 相交錯并聯雙向變換器拓撲，提高了雙向變換器的轉換效率和功率密度，減小功率器件電壓和電流應力，以及進一步提高變換器電壓增益；文獻[8]提出了一種高電壓增益的Boost 變換器，該變換器具有電壓增益高、輸入電流連續和開關管應力小等特點，適用于兩級并網系統等對變換器的輸入電壓變化范圍要求較寬的新能源領域。

本文研究的Boost 變換器，在新型拓撲之上引入開關電感單元，同時將開關電感單元與輸出電感進行磁集成，這樣不僅較大程度地提高了Boost 變換器（Boost-MSI）的電壓增益，還減少了支路電感的電流紋波、變換器的物理體積和變換器的損耗，進而優化了變換器輸出的電能質量[9]。

1 新型變換器的模態分析

1.1 新型變換器的拓撲

Boost-MSI 的拓撲結構如圖1 所示，使用L1、L2和D1～D3組成的開關電感單元代替輸入電感，變換器由單個控制開關Q 控制，且開關電感單元采用正向耦合，開關電感單元與輸出電感L3采用反向耦合，電感正向耦合的互感為M1，反向耦合的互感為M2，設開關電感單元繞組Li的電感取值相等，即Li=L（i=1，2），輸入輸出電壓分別為Vin和Vo，假設拓撲中器件都是理想器件，儲能電容足夠大。

圖1 Boost-MSI 變換器拓撲Fig.1 Topology of Boost-MSI converter

1.2 模態分析

1.2.1 模態1[t0，t1]

在模態1[t0，t1]中，開關管Q 導通，D2、D7和D9反向截止，電感L1、L2為并聯儲能狀態，電感電流和上升，儲能電容C1為L3儲能，同時也為儲能電容C2充電，電感電流上升，儲能電容C3為負載提供能量，M1、M2為2 組電感之間的互感系數。電路模態如圖2（a）所示，其電路電壓方程為

圖2 開關變換器電路模態Fig.2 Circuit modes of switching converter

1.2.2 模態2[t1，t2]

在模態2[t1，t2]中，開關管Q 截止，電感L1與L2電壓反向串聯放電，二極管D2導通，D1和D3截止，D7、D8和D9正向導通。電源為電容C1充電，同時和電容C2、電感L1、L2和L3共同為負載供電，用和表示2 組電容的電壓，則電路模態如圖2（b）所示。該模態下的電壓、電流波形如圖3 所示，`其電路電壓方程為

圖3 電壓、電流波形Fig.3 Waveforms of voltage and current

2 變換器工作性能分析

2.1 電壓增益分析

由式（1）和式（2）可以得到

由式（1）和式（3）可以得出矩陣方程為

求解式（4）可得

由式（2）可得矩陣方程為

求解矩陣方程式（6）得

由矩陣方程式（5）和式（7）可得

式中，ΔiL1+、ΔiL1-和ΔiL3+、ΔiL3-分別為兩組電感L1和L3正、負波形時的電流變化量。

根據伏秒積定理，由式（8）～式（11），可以得出電壓增益為

式中，G 為Boost-MSI 的電壓增益，是傳統Boost 變換器的（2-D）（1+D）/（1-D）倍，且與耦合系數無關。

2.2 支路電流紋波分析

設電感的耦合系數為

令L=αL3，由式（8）～式（16）可得電感電流紋波為

在變換器模態1[t1，t2]中，L1和L2是串聯狀態，所以電感L1和L2應正向耦合，即k1>0；在k1>0 的情況下，由式（17）和式（18）可見，若k2<0，將會導致變換器電流紋波增大，為了保證電流紋波有所減小，應使k2>0。設ε1和ε2為電感L1、L3輸出電流紋波系數，則

由式（19）和式（20）可知，變換器的支路電感電流紋波不僅與耦合系數有關，還與電感L1（L2）與L3比值α 有關。本文取α=1 進行分析，支路電感電流紋波與耦合系數的關系如圖4 所示，可以看出，ε1和ε2與占空比D 有關系；ε1隨著k1的增大而減小，ε2隨著k1的增大而增大。首先將設計區域規劃在ε2中的陰影區域內，取k1盡可能小，再由圖中信息對比出ε1中的k1取值。k1確定后再由圖確定k2。由圖還可以看出，ε2受到占空比的影響非常大，當D=0.8 時，設計區域幾乎看不到了，所以在符合應用場合的前提下，占空比取小值，同時需要保證，否則就會出現圖4 中豎線所示的不存在的情況。

圖4 電流紋波與耦合系數的關系Fig.4 Relation between current ripple and coupling coefficient

2.3 開關器件電壓應力分析

由圖2 可以得出Boost-MSI 變換器開關器件Q、D4、D7和D5的電壓應力分別為

傳統Boost 變換器與Boost-MSI 變換器的開關器件電壓應力對比數據如表1 所示，兩種變換器開關器件電壓應力與輸出電壓關系如圖5 所示。

表1 傳統Boost 與Boost-MSI 的開關器件電壓應力數據對比Tab.1 Comparison of voltage stress data between the conventional Boost and Boost-MSI switching devices

圖5 兩種變換器的開關器件電壓應力Vstress 與輸出電壓Vo 的關系Fig.5 Relation between voltage stress Vstress and output voltage Vo of the switching devices in two converters

由圖5 可以得出，在具有相同的輸出電壓以及占空比取值范圍內，Boost-MSI 變換器開關器件的電壓應力都比傳統Boost 變換器的低。

3 仿真驗證

根據應用場合的需要，設置輸入12 V，要求獲得輸出48 V，頻率fs=100 kHz，根據式（14），計算得出占空比D=0.27。仿真參數如表2 所示。

表2 仿真參數Tab.2 Simulation parameters

3.1 電感電流紋波仿真驗證

D=0.27 時，根據設計區域進行合理設計。將k1取0.1，k2取0.432，未集成下L1電感電流紋波i1和L3電感電流紋波i3的仿真結果如圖6 所示。圖6（a）是電壓增益仿真結果，圖6（b）表明應用磁集成技術電感電流紋波有明顯減小，驗證了理論的正確性。

圖6 仿真結果Fig.6 Simulation results

3.2 開關器件電壓應力仿真驗證

Boost-MSI 變換器中的開關器件電壓應力仿真波形如圖7 所示。從圖中可以看出，在輸入1 2 V、輸出48 V 時，VQ≈36.4 V，VD4≈23.5 V，VD7=VD8≈37 V，VD5≈12.3 V。以上仿真數據驗證了Boost-MSI 變換器開關器件的電壓應力理論分析的正確性。

圖7 開關器件電壓應力仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of voltage stress of switching device

4 實驗驗證

Boost-MSI 變換器的實驗樣機參數如表3 所示，開關頻率fs=100 kHz，占空比取0.262。

表3 實驗參數Tab.3 Experimental parameters

4.1 電壓增益實驗

Boost-MSI 變換器電壓增益的實驗結果如圖8所示。可見，實驗結果驗證了理論分析的正確性。

圖8 電壓增益實驗結果Fig.8 Experimental results of voltage gain

4.2 電感電流紋波實驗

Boost-MSI 變換器的實驗樣機的集成電感采用陣列式結構，如圖9 所示，磁件兩端為開關電感內的電感L1和L2，中間為電感L3，這種結構使得L1與L2的互感M1為0 μH。由于加入氣隙的原因，2 個電感與L3的互感M2調節為5.4 μH，使得耦合系數k1=0、k2=0.48。

圖9 集磁件結構Fig.9 Structure of integrated magnetic component

Boost-MSI 變換器的電感電流紋波實驗結果如圖10 所示，圖10（a）為電感L1（L2）的電流波形，圖10（b）為電感L3的電流波形。圖10 驗證了理論分析的正確性。

圖10 Boost-MSI 變換器的電感電流紋波實驗結果Fig.10 Experimental results of inductor current ripple of Boost-MSI converter

4.3 開關器件電壓應力實驗

Boost-MSI 變換器開關器件的電壓應力實驗如圖11 所示，驗證了理論分析的正確性。

圖11 開關元器件電壓應力實驗結果Fig.11 Experimental results of voltage stress of switching component

5 結論

本文以傳統Boost 變換器拓撲為基準，結合已提出的新型變換器的拓撲，引入開關電感單元進一步提高變換器的電壓增益，同時應用磁集成技術，減小電感電流紋波和磁性器件的物理體積。通過理論分析，再應用仿真與實驗驗證，Boost-MSI 變換器具有以下特點：

（1）應用開關電感單元的Boost-MSI 變換器的電壓增益是傳統Boost 變換器的（2-D）（1+D）/（1-D）倍；

（2）將開關電感單元中的電感與儲能電感L3進行正向耦合，合理設計耦合系數，顯著減小了支路電感電流紋波；

（3）Boost-MSI 變換器的開關器件的電壓應力相比于傳統Boost 變換器有所降低。