一種單開關高增益DC-DC升壓變換器

深圳供電局有限公司 陳泰霖 柴二亮 樊 曄 符湛茹 深圳微網能源管理系統實驗室有限公司 廖貴臏

深圳帶電科技發展有限公司 繆寶鋒 廣東工業大學自動化學院 廖宇凱

近年來，科技的進步使得人類對電的需求急劇增加[1]。近10年來，化石能源的日益枯竭、環境問題日趨嚴重等問題迫使科研人員開發風能、太陽能光伏等可再生能源[2-5]。然而，太陽能光伏等可再生能源的輸出電壓遠低于直流母線電壓，不能夠直接并入直流母線中。因此，需要在太陽能光伏輸出和直流母線中加入一級DC-DC升壓變換器[6-8]。

Boost變換器是經典的升壓變換器，具有拓撲簡單、器件少、控制簡單等優點[9]。在開關管占空比足夠大的情況下，其增益理論上能達到無窮大。然而現實中，由于變換器中存在寄生參數、二極管的反向恢復效應等原因，在高占空比下，Boost變換器的增益也極為有限。而其他經典的變換器如Buck-Boost變換器、SEPIC變換器、Zeta變換器也存在著上述問題。

將多個DC-DC升壓變換器級聯是有效提升變換器增益的方法之一[10]。然而級聯變換器往往存在著大量的冗余器件。這會導致變換器效率低下、制造成本高，甚至多余的開關管還會帶來控制上的困難。并且大量的寄生參數還會形成潛電路，增加了不需要的工作模態，嚴重時還會使變換器的性能改變，使得變換器無法正常工作[11-12]。

近年來，科研人員們提出了大量帶變壓器或耦合電感的升壓變換器[13-16]。文獻[17]所提出的隔離型升壓變換器通過提高變壓器一二次側的變比，大大提升了升壓倍數。但是，所有的隔離型升壓變換器都有二次側的電壓應力高的特性，這使得二次側必須使用高耐壓的開關管，不僅增加了器件成本，還增加了導通損耗和開關損耗，進而影響了變換器的效率[18]。此外，變壓器使得變換器的體積和質量大大增加，降低了變換器的功率密度。文獻[19]構造出了基于耦合電感的升壓變換器，通過提高耦合電感的匝數比，可以實現耦合電感變換器的高電壓增益。然而耦合電感的漏感是導致電流產生尖峰的重要因素，需要使用箝位電路對其進行抑制，這無疑增加了變換器的器件成本。

基于此，本文提出了一種單開關高增益DC-DC升壓變換器。所提出的變換器對輸入電壓作了兩次提升，并且通過輸出側的二極管和電容將電壓進行了進一步泵升。所提出的變換器僅包含一個開關管，控制簡單，并且不含變壓器及耦合電感也降低了變換器的體積，提升了功率密度。

1 變換器拓撲及工作原理

1.1 變換器拓撲

圖1為本文所提出的單開關高增益DC-DC升壓變換器的等效電路。

圖1 變換器的等效拓撲

其中包括直流輸入電源Vin，二極管D1,D2,D3,D4，開關管S，電感L1,L2,L3，電容C1，C2，C3和負載R。

1.2 工作原理分析

圖2為變換器的主要波形圖，從圖2可以看出，所提出的變換器共有兩個工作模態。各個工作模態等效圖如圖3所示，虛線代表電流流通路徑。

圖2 變換器的主要工作波形

工作模態一[0-DTs]：如圖3（a）所示，在此時間間隔內，開關管S開通，二極管D1、二極管D2、二極管D4和二極管D5導通，二極管D3和二極管D6不導通，電源Vin給電感L1、電感L2、電感L3及電容C1充電，電容C2、C3維持電壓基本恒定，給電容C4充電并給負載R供電。

在此模態下，流經電感L1、電感L2、電感L3的電流持續線性上升并且兩端的電壓表示如下：

工作模態二[DTS-TS]：如圖3（b）所示，在此時間間隔內，開關管S關斷，二極管D3和二極管D6導通，二極管D1、二極管D2、二極管D4和二極管D5關斷。電源Vin、電感L1、電感L2、電感L3及電容C1給電容C2、C3充電，電感L3中的能量也釋放給電容C3，電容C4維持電壓基本恒定并給負載R供電。

圖3 各個工作模態的等效電路及電流路徑

在此模態下，流經電感L1、L2、L3的電流持續線性下降并且兩端的電壓表示如下：

2 變換器增益分析

升壓增益。為了便于進行分析，簡化分析過程，本文作出了以下三個假設：

一是在一個周期中，流過電感的電流和電容兩端的電壓為恒值。二是所有的器件都為理想器件。三是L1=L2。

在工作模態1中，從圖3（a）可以看出VL1=VL2。

在工作模態2中，如圖3（b）所示，電感L1與電感L2串聯，并且其感值相同，因此同樣有VL1=VL2，由公式（2）可得：

結合公式（1）至（3），根據電感固有的伏秒平衡特性，對于電感L1和電感L2可以得到如下關系式：

對于電感L3可以得到如下關系式：

又因為在開關管S開通時，電容C1直接連通到直流輸入電源Vin兩端，因此：

且

根據公式（4）至（7），可得單開關高增益DC-DC升壓變換器的電壓增益。

3 參數設計

假設電感電流紋波允許范圍xL=10%，電容電壓紋波允許范圍xC=5%。

3.1 電感設計

對于電感L1有：

由公式（9）至（12）可得：

對于電感L2有：

對于電感L3有：

由公式（15）-（18）可得：

3.2 電容設計

對于電容C1有：

由公式（20）至（23）可得：

對于電容C2有：

4 仿真驗證

為了驗證本文所提出的變換器的有效性和正確性，采用了仿真軟件PSIM對其進行仿真驗證。其中使用的仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數

由公式（25）至（28）可得：

對于電容C3有：

由公式（30）至（33）可得：

對于電容C4有：

由公式（35）至（38）可得：

圖4為所提出的變換器在表1參數下仿真得到的驅動信號、輸入電壓和輸出電壓波形圖。輸出電壓為120V，與理論分析一致。

圖4 Vgs、Vin及Vo的波形

圖5為電感L1、電感L2及電感L3的波形，分別為14.4A、14.4A及2.4A，紋波為10%，能夠滿足設計的要求。

圖5 IL1、IL2及IL3的波形

5 結論

本文提出了一種新型的單開關高增益DC-DC升壓變換器。所提出的變換器使用了開關電感對輸入電壓作了第一次提升，再通過二次型結構對輸入電壓作了第二次提升，最后通過輸出側的二極管和電容將電壓進一步泵升。與傳統的DC-DC升壓變換器相比，所提出的變換器 在具有極高的增益的同時，僅需要一個開關管，控制簡單。并且不含變壓器及耦合電感，具有高功率密度。最后的仿真驗證了所提出的變換器的有效性和正確性。