基于开关电容网络的高增益升压变换器

陈磊，潘庭龙

（江南大学电气自动化研究所，江苏无锡214122）

基于开关电容网络的高增益升压变换器

陈磊，潘庭龙

（江南大学电气自动化研究所，江苏无锡214122）

针对传统Boost变换器升压能力有限，而开关电容网络输出电压不可调问题，提出将开关电容网络与传统Boost电路相结合的方法。利用开关电容网络串联放电、并联充电以及传统Boost电路输出电压可调的特点，设计出一种新型基于开关电容网络的高增益升压变换器，并由此衍生一种实现分时供电的双输入升压变换器。详细分析两种新型变换器的工作原理，搭建仿真模型，并进行了实验研究。仿真分析与实验结果表明：两种变换器控制电路简单；新型高增益升压变换器升压能力强；双输入升压变换器可以实现分时供电，提高了元器件利用率。

开关电容网络；升压变换器；高增益；双输入；元器件利用率

光伏发电和燃料电池发电等新能源发电技术被已经被广泛应用，但均存在输出电压较低的问题，需经过高升压比直流变换器进行升压变换，从而达到并网逆变器所需直流电压［1］。传统Boost变换器在进行悬殊电压变换时，开关管工作在接近于1的理论值，变换器变换效率较低。在联合并网发电系统中，常用多输入DC-DC变换器，以简化电路结构，降低成本［2］。传统开关电容电路的输出电压受制于电路结构，可调性较差。如何获得实用性强的开关电容网络电路成为研究热点［3-5］。文献［6］提出在Boost电感释放能量的回路中串联一个电容以提高升压效果，但电路效率较低。文献［7］提出了一种串联输入串联输出的Boost变换电路，但其只适用于低压输入场合，具有一定的应用价值。文献［8］提出了一种双输入Boost变换器，但其升压能力有限，具有一定研究价值。

文中先将开关电容网络与传统Boost变换电路相结合，利用开关电容网络的倍压特性，基于传统Boost电路的脉宽调制技术，设计出一种基于开关电容网络的高增益升压变换器。新型变换器升压能力强，控制电路简单，且开关管电压应力和输入输出纹波较小，工作效率较高。接着将两个开关电容网络相互并联，得到了一种双输入升压变换器。该电路具有分时供电功能，通过两个网络中的电容电压相互累加输出，提高了升压比以及元器件的利用率。

1　高增益开关电容网络升压变换器

1.1电路拓扑结构

将开关电容网络结构与传统Boost电路相结合，得到了一种新型高增益升压变换器拓扑结构，如图1所示。该电路经由三部分进行升压：电感L、开关管S1组成的传统Boost变换器进行预升压；由电容C1、C2与二极管VD1、VD2组成的开关电容网络，将电压再次升高；最后经由二极管VDa和VDb与电容Ca和Cb组成的二极管电容网络实现了电压第三次升高。这3个升压过程是在同时进行的。

图4中，开关电容网络电容C1和C2，二极管VD1、VD2、VD3、VDa、VDb，开关管S1、S2、S3，二极管电容网络Ca和Cb的规格参数分别相同。

图1　新型开关电容网络升压变换器拓扑

1.2电路工作原理

假设：1）电感电流连续；2）电容两端的电压保持不变；3）所有元器件均为理想器件。

开关管S1、S2由相同PWM信号控制，S3由与S1和S2相互交错的PWM信号进行控制。输入、输出电压分别记为Uin和U0。

（1）开关状态1：在开关管S1、S2导通、S3关断期间，二极管VD0、VD1、VD2截止，VD3、VDa、VDb导通，等效电路为图2（a）所示。输入电压Uin与电感L串联，电感储能，电流iL线性增长，加在电感两端的电压为Uin，电容C1和C2交叉串联给电容C0、Ca和Cb并联充电，负载由Cf提供能量，电路中电压关系为：

（2）开关状态2：在开关管S1、S2关断，S3导通期间，二极管VD0、VD1、VD2、VD3导通，VDa、VDb截止，等效电路如图2（b）所示。此时电源Uin和电感L给电容C1、C2和C3并联充电，电感L两端电压为Uin-Uc，iL线性减小，电容Ca、Cb串联向负载供电：

图2　等效电路图

1.3变压比和电压、电流基本关系

根据电感的伏秒平衡原理，在占空比为D的开关周期TS内，由式（1）和式（2）可得：

经计算出输出电压U0大小为：

则输出电流I0大小为：

根据功率守恒原理计算出输入电感L电流大小为：

输入电流纹波大小为：

输出电压纹波大小为：

2　新型双输入开关电容网络升压变换器

相邻两个开关电容网络可以通过共用一个二极管进行并联，实现了多端口输入。基于此特点，结合传统Boost电路提出了一种新型双输入升压变换器，其拓扑结构如图3所示。

图3　新型双输入开关电容网络升压变换器

图3中，Uin1、Uin2分别为输入电源1和2的电压，UL1、UL2分别为电感L1和L2两端的电压。开关电容网络1和2通过共用开关管VD12并联组成双输入网络。两网络中电容和开关管规格参数相同，那么电容C11和C12两端电压相等、电容C21和C22两端电压相等，分别记为UC1和UC2。二极管电容网络电容Ca和Cb两端电压也相等，记Ua=Ub=Uab。

与传统的多输入变换器相比，新型双输入升压变换器使开关管工作在理想范围内并同时提高了变换器升压能力，同时减小了开关应力，降低了输入输出纹波，提高了元器件利用率。变换器具有分时供电特性，当只有一个电源输入时，输入电压会自动均衡到两个开关电容网络中，然后通过两个网络的电容叠加输出，网络中每个电容都会向负载输出一部分电压，经过二极管电容网络实现再次升压。

图4　主电路拓扑及其等效电路图

2.1输入电源1单独工作

当只有输入电源Uin1工作时，变换器的拓扑结构和等效电路如图4（a）所示。

当开关管S1、S2、S3导通，开关管S4关断时，二极管VD11、VD12、VD23截止，二极管VDa、VDb导通，电容C11与电容C22并联后与电容C12和C21串联，其等效电路如图4（b）所示。加在电感L1两端的电压和电路中电容电压的关系为：

当开关管S1、S2、S3关断，开关管S4导通时，二极管VD11、VD12、VD23导通，二极管VDa、VDb截止，电容C11和电容C22与电容C12和C21分别并联，其等效电路如图4（c）所示，加在电感L1上的电压和电路中电容电压关系为:

根据公式可得，输出电压

式中，D为开关管占空比。

2.2输入电源2单独工作

当只有输入电源Uin2工作时，变换器的工作原理与只有Uin1输入时工作原理相似，经分析可得输出电压为：

式中，D为开关管占空比。

2.3电容电压和电感电流纹波

根据电路工作原理和拓扑结构可知，两个开关电容网络中的电容电压大小相等，为

输入输出电压关系为：

电感和L1和L2的电流纹波大小Δi1、Δi2分别为：

可见，电路中虽然增加了一个开关电容网络，却使得变换器的升压能力是传统变换器提高了6倍，同时开关器件的电压应力和开关电容网络电容电压应力没有变大，电感电流纹波也较小，降低了设计难度，提高了元器件利用率。

3　仿真分析和实验研究

文中基于Matlab/Simulink搭建了仿真模型，并以高增益开关电容网络升压变换器为例进行实验研究。实验参数如下：输入电压Uin=6V，电容C1、C2和C0大小为220 μF，电容Ca和Cb大小为470 μF，电感L为220 μF，电路选用IRF3710型号开关管，二极管均采用IN5819型号的肖特基二极管。

实验电路采用NE555型号PWM发生器和IRF3710型号开关管，开关频率fs=40kHz，新型高增益开关电容网络升压变换器采用PWM控制方式。当变换器占空比D=0.5时，变换器的工作波形如图6所示。由图5（a）和（b）知，实验输出电压约为45V，与仿真结果接近，约为输入电压的8倍，满足公式（4），而传统Boost电路在这情况下仅为输入源电压的2倍，新型变换器的升压能力提高4倍。

图5　电路工作波形

图6　输出电压

图6（c）、（d）、（e）、（f）分别为电容C0和电容C1、C2两端电压仿真波形与实验波形，由图可知电容充放电呈指数形式，瞬间完成，电容C1、C2两端电压约为12V，为输入电压的2倍，与理论分析一致。

当输入电源Uin1=20V单独工作时，导通比D=0.5，新型双输入开关电容网络变换器输出电压如图6（a）所示。由图看出仿真输出约为235V，接近理论值240V，满足公式（11），当输入电源Uin2=10V单独工作在导通比D=0.6时，输出电压如图6（b）所示，满足式（12）。

由上述仿真和实验结果可知，高增益开关电容网络升压变换器具有升压比高、控制简单等特点，新型双输入开关电容网络升压变换器可以实现分时供电的功能，两者均具有很好的应用价值。

4　结论

文中基于开关电容网络串联放电、并联充电和传统Boost电路输出电压可调的特点，提出了一种新型高增益升压变换器，不仅能够实现高压比，同时具有良好的电压调整特性，并延伸拓展出一种新型双输入升压变换器，实现分时供电，提高了元器件利用率，但同时供电需保证两输入源电压相同，同时供电特性还需进一步深入研究。

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High gain step-up converter based on switch capacitor network

CHEN Lei，PAN Ting-long
（School of Internet of Things Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

In existing traditional boost converters，the step-up capacity is limited，and the switch capacitor network output voltage is not adjustable.Therefore，according to the switch capacitor network working characteristics of discharging in series，charging in parallel and traditional boost converter working characteristics of adjusting output voltage，a high gain step-up converter is proposed in the paper，and its corresponding double-input boost converter which can realize time-sharing supply is deduced too.The working principles and performance of the two new types of converter are respectively given，and an experimental model is constructed.The Simulation analysis and experimental results indicates:the new high gain boost converter possesses powerful boosting ability；the control circuit of the two converter is simple；double-input boost converter can attain the implementation of power supply individually with high ratio of devices.

switch capacitor network；boost converter；high gain；double-input；high ratio of devices

TN712.3

A

1674－6236（2016）17-0173-05

2015-08-30稿件编号：201508167

江苏省自然科学基金（BK2012550）

陈磊（1991—），男，安徽阜阳人，硕士研究生。研究方向：电力电子与电力传动。