基于开关电容单级网络的升压变换器的参数与稳定性研究

万云霞，王宏霞，高宁，陈国超

（吉林大学仪器科学与电气工程学院，吉林长春130026）

基于开关电容单级网络的升压变换器的参数与稳定性研究

万云霞，王宏霞，高宁，陈国超

（吉林大学仪器科学与电气工程学院，吉林长春130026）

针对现有升压变换电路升压能力有限、纹波大和效率低等问题，设计并实现了一种基于开关电容单级网络的电源升压变换器。通过实验测取开关电容单级网络升压变换器在不同占空比条件下输出电压随输入电压变化的数据绘制特性曲线，将不同条件下的升压电路效率计算出来，并与开关电容电路相关参数的理论结果进行对比分析。实验结果表明，随着输入电压的升高，基于开关电容单级网络的升压变换器的效率稳定在80%以上，在电路效率方面基本符合了设计的要求，与传统boost升压变换器装置的效率相比更具有优势。

升压电路占空比；升压范围；高效率；IR2110；参数优化

随着化石燃料的日益枯竭，对可持续发展、环保节能的新型能源的需求愈发强烈。太阳能作为众多可再生能源当中最具潜力的一种，拥有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便的使用特点［1-2］，目前对太阳能发电的研究已达到成熟阶段。然而对于新能源的利用率现在还是一个需要深入研究并积极改善的一个重要方向，文中提出了一种基于开关电容的单级网络横向串联的升压变换器装置，通过完善电路中的相关参数，在一定程度上提高了传统boost升压变换器在高升压比下的开关频率过高。通过最终实验数据的分析，这种电源装置不仅可以做到在本项目中完成太阳能部分的升压的要求，而且可以在相同条件下高效的收集储存能量，并且引申在新能源并网之中也可以起到很大的作用［3］。

1　系统整体设计

本项目电源装置主要由发电装置和储能电路两部分组成，整体的结构框图如图1所示。

图1　系统电源装置的结构框图

通过太阳能电池板和压电材料分别将太阳能和人体动能转换为可利用的电能，通过蓄能电池进行电能的存储以备给手机等移动设备充电。本设计是太阳能能量收集中的升压电路，具体实验并分析了在不同输入电压及占空比下，基于开关电容的单级网络升压变换器的效率及输出电压的变化。本升压电路由MSP430F149集成电路、基于IR2110的驱动电路及主电路3部分构成如图2。

利用MSP430F149芯片内部的两个计数器相比较而得到频率、占空比均可调的一路PWM输出。由于PWM幅值较小，不足以达到控制开关管的开关电压，输出的PWM波形经过以IR2110为核心芯片的驱动电路将电压幅值放大到10V，由于选择的开关管为IRF640N型MOSFET管，工作电压在10V时能够正常工作。通过驱动电路放大后的PWM波可以驱动主电路正常工作，从而开始测试，调整MSP430F149程序实现程控改变占空比，测试当保持20kHz的频率下不同占空比对应的输入电压与效率曲线，对比分析效率能稳定在80%以上。

图2　升压电路整体结构框图

2　原理分析与参数设计

2.1主电路原理分析与参数设计

基于开关电容的单级网络的升压变换器电路原理图及等效电路如图3所示：

1）当开关管S导通时，二极管VD1、VD2截止，该变换器的等效电路如图3所示：

图3　基于开关电容的单级网络的升压变换器电路原理图与等效图

2）当开关管S关断时，二极管VD1、VD2导通，其等效电路如图3所示。

对于电感L1和电感L2，结合以上两个关系式，可以得到在一个开关周期内，根据电感的伏秒平衡原理

之后将式（1）代入式（2），可以得出输出电压与输入电压之间的表达式如下：

又由（3）式可以继续推导出输出电流的表达式为：

可以根据输入输出之间的功率守恒原理得到，输入电流的表达式如下：

其中，适中Uin为主电路输入端电压，UC为开关电容网络中电容端电压，UO为输出端电压，R为输出端负载电阻，D为电路中开关管PWM控制信号的占空比；Iin为输入端电流，IO为输出端电流IL1、IL2为经过电感L1、L2的电流，UL1、UL2为L1、L2两端的电压［4］。

从基于开关电容的单级网络装置的效率考虑，电路中各个元件相关参数的设计，以及具体元器件的选择都决定了系统最后输出电压的大小以及效率的高低。且由于两个交叉电容的存在，可以实现电容串联放电、并联充电的工作效果，从而达到提高变换器升压能力的目的。

2.2驱动电路原理选择分析与参数设计

IR2110是一种性能比较优良的驱动集成电路，它的自举悬浮驱动电源可同时驱动同一桥臂的上、下两个开关器件，驱动电压高达500V，工作频率为500kHz，驱动峰值电流为2 A，同时两通道还设有低压延时封锁（50 ns）。重要的是IR2110可以直接输入两路PWM波，经过放大之后出来两路驱动波［5］。IR2110的这些优点给实际系统设计带来了极大方便，特别是自举悬浮驱动电源大大简化了驱动电源设计，因为只用一路电源即可完成上下桥臂两个功率开关器件的驱动。美国IR公司生产的IR2110驱动器则兼有光耦隔离体积小和电磁隔离速度快的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选品种［6-8］。

其中电容C1、C3为103瓷片电容、C2为1 μF电解电容，由于结构电容量小，但容量稳定，等效电感很小。由于电解电容的等效电感较大，决定了它不能用于高频场合，因为频率越高，电感的影响就越明显，然而该电路的频率仅在10kHz-40kHz范围内，电解电容能应用的最大频率一般在500kHz左右，故电解电容适合用在本电路中。IR2110的效率比同类芯片高，故选择IR2110。

基于开关电容单级网络的升压变换器整个系统在频率不变的情况下，调节占空比，使得主电路能够在输入电压一定时最为接近理想升压比以及得到最高的效率且保持稳定［9］。

图4　基于IR2110芯片的单路PWM波输出的驱动电路

3MATLAB软件Simulink仿真结果及分析

先设定一组数据，当使用升压电路中基于开关电容单级网络的升压变换器的参数进行仿真实验时，所设定的指标为：输入电压数据为12V，输出达到60V，由于单级网络会使得电压反向，则输出具体指标为-60V，功率达到30 W，效率80%以上。

通过计算得各个器件的参数如表1所示。

表1　各器件参数表

由上述公式（3）计算可得，要达到指标，需5倍的放大倍数，则需要的占空比。其中开关频率设为10kHz，在开关管IRF640能够承受且正常工作的范围内。

4　测试结果及分析

为了验证单开关升压变换器的高效性以其的工作性能，对该变换器进行了实验研究。在计算和仿真过后，实验参数为：输入电压从0依次增加到12V，而占空比选择40%，50%，和66%分别测量之后做出对应的由输入电压与效率对应关系的变化曲线。

在开关频率保持一定的条件下进行测试，测试结果如图5所示。

图5　占空比为40%频率为20kHz理论放大倍数为-2.33倍的单级开关电容电路测试结果

通过图5的测试结果可得：在输入电压从0V逐渐变化到12V的过程中，升压电路系统整体的效率从64.68%升至83%，并且在升压过程中逐渐将电路的效率稳定在80%以上，且放大倍数由表格可以看出均具有稳定的升压比，并且与理论升压比-2.33偏差很小，达到相应的指标。通过10组测试数据的对比，可以得出该升压电源装置在开关频率保持稳定的条件下能达到设定的升压比并且效率能达到83.37%。

单片机MSP430F149产生的PWM波形的频率保持20kHz的条件下进行测试，测试结果如图6所示，当时环境条件为：开关频率20kHz，占空比为66%，输入电压由0V等间距变化到12V。

由图6可得：在输入电压从0V逐渐变化到12V的过程中，升压电路系统整体的效率从70.69%升至81.37%，并且在升压过程中逐渐将电路的效率稳定在81%左右，且放大倍数由表格可以看出均具有稳定的升压比，并且与理论升压比-5偏差较大，但效率能达到相应的指标。通过13组测试数据的对比，可以得出该升压电源装置在开关频率保持稳定的条件下能达到设定的升压比并且效率能达到81.37%。

图6　占空比为66%频率为20kHz理论放大倍数为-5倍的单级开关电容电路测试结果

通过将图5与图6的测试结果进行对比可得，当开关频率保持恒定不变时，占空比的改变对升压电路最终的效率影响不大。而当电路处在40%的占空比时基于开关电容单级网络的升压变换器的升压比相较于66%时的升压比更为稳定，也更加接近理论值。随着电压升高，在40%和66%的占空比下主电路的效率均可以达到80%以上，完成指标要求。

5　结束语

在实际的户外环境下，单一能量来源的便携型电源装置会受到天气等方面因素的影响而不能持续为使用者进行供电，而使用本文所设计并实践的基于开关电容单级网络的升压变换器之中的相关参数能够满足太阳能升压电路部分的效率要求，在Boost变换器的基础上进行改进，得到一种单开关升压变换器的相关参数设计，通过最优化参数最终提高发电效率的目的。实验结果表明，该升压电源装置与传统的升压电源装置相比提高了电路的效率，并且能够保持稳定的升压比，开关频率较低，并且电路中仅仅使用了一个开关管，控制电路简单，在能量的利用和效率上都更占优势。

［1］熊兴福，杨政之.太阳能光伏应用产品的功能探析［J］.包装工程，2014，35（24）:35-38.

［2］任航，叶林.太阳能电池的仿真模型设计和输出特性研究［J］.电力自动化设备，2009，29（10）:112-115.

［3］彭方正，房绪鹏，顾斌，等．Z源变换器［J］．电工技术学报，2004，19（2）:47-51.

［4］侯世英，陈剑飞，孙韬，等.基于Switch-Capacitor网络的单开关升压变换器［J］.电工技术学报，2013，28（10）:206-216.

［5］陈琪琳，雷必成.基于STM8的光伏逆变器设计［J］.电子设计工程，2013，（11）:85-87.

［6］Wuhua Li，Weichen Li，Xiangning He，et al.Generalderivation law of nonisolated high step-up interleaved converters with builtintransformer［J］.IEEETransactionsonIndustrial Electronics，2012，59（3）:1650-1661.

［7］WuhuaL，Xiangning H.Review of nonisolated highstep-up DC/DC converters in photovoltaic gridconnected applications［J］.IEEE Transactions onIndustrial Electronics，2011，58（4）: 1239-1250.

［8］Shaowu Du，Zhong Chen，Liuchen Chang.A novel softswitching two-stage step-up DC/DC converter［C］//Conference on 7th International Power Electronics 2007:602-607.

［9］胡德安，李利翔，李哲熙，等.光伏发电系统中三种DC-DC转换电路的比较研究［J］.电子设计工程，2013，（12）:145-148.

A step-up converter based on the vertical parallel switch-capacitor network

WAN Yun-xia，WANG Hong-xia，GAO Ning，CHEN Guo-chao
（College of Instrumentation&Electrical Engineering，Jilin University，Changchun 130026，China）

In view of the limitation of existing boost converter in the boost range，ripple and efficiency，a step-up converter based on the switch capacitor single stage network has been designed and confirmed to be feasible in practice.The characteristic curves of the output voltage varying with the input voltage under different duty cycle conditions are obtained by the experimental test，and the calculated results of the efficiency of the boost circuit is compared with the theoretical result obtained from the relevant parameters of the switched capacitor circuit.The experimental results show that the efficiency of the boost converter based on switched capacitor single stage network is more stable than 80%with the increase of input voltage，

set-up；converterduty cycleboost；rangehigh efficiency；IR2110；parameter optimization

TN710.2

A

1674－6236（2016）17-0181-04

2015-09-06稿件编号：201509038

国家级大学生创新实验计划基金项目（2014A65288）

万云霞（1980—），女，山东烟台人，工程师。研究方向：电磁信号处理。

which is basically in line with the design requirement of circuit efficiency and more advantageous than traditional boost converter.