用于非隔离场合中的高增益DC-DC变换器综述

吴贵洋

（安徽工业大学电气与信息工程学院，安徽马鞍山243032）

用于非隔离场合中的高增益DC-DC变换器综述

吴贵洋

（安徽工业大学电气与信息工程学院，安徽马鞍山243032）

为了满足在低压输入、高压输出直流升压变换场合中的需要，近年来，众多国内外研究学者相继提出了多种高效率、高升压比的DC-DC变换器。针对高增益的DC-DC变换器的现状，对非隔离型高增益DC-DC变换器的升压特点进行了分析，简要阐明了其优缺点。所述内容为今后非隔离型DC-DC变换器的研究及其在非隔离场合中的工程应用提供了一定的技术参考。

变换器；不间断电源；电动汽车；工业仪器

高增益DC-DC变换器在不间断电源（UPS）、可再生能源并网发电系统、航空航天、电动汽车、工业仪器仪表等升压变换领域有广泛的应用前景，在较大功率领域中的增长率不断上升，对其转换效率、功率密度的要求越来越高。针对国内外研究学者提出的高增益Boost变换器，本文对非隔离型高增益Boost变换器的升压特点进行了分析，并比较了其优缺点。

1 非隔离型高增益DC-DC变换器

非隔离型高增益DC-DC变换器具有高效率、低成本等优点，应用到了诸多领域中。本文对基于开关电感的升压变换器、基于开关电容技术的DC-DC变换器、级联型Boost变换器、二次型Boost变换器、低输入电流纹波升压直流变换器、交错并联DC-DC变换器、耦合电感技术DC-DC变换器七类非隔离型高增益DC-DC变换器进行了分析比较。

1.1 基于开关电感的升压变换器

相比于基本Boost变换器而言，基于开关电感的升压变换器电压增益得到了提高。

在开关管导通工作时，形成与开关电感数量相同的独立并联充电回路；开关管关断时，在与输入电源的共同作用下，串联向输出侧放电。因此，变换器的电压增益被抬升。但当变换器工作于高升压场合时，输出二极管的反向恢复问题非常严重。

1.2 基于开关电容技术的DC-DC变换器

为了有效提高DC-DC变换器的升压比，有学者提出了基于开关电容技术的DC-DC变换器。通过增加开关电容的数量，变换器的电压增益也随之增加。因此，升压增益越高采用的开关电容就越多，增加了变换器的复杂度。此外，变换器难以实现较为灵活的电压增益调节。在低压输入、高压输出的升压变换场合中，其应用受到了限制。

1.3 级联型升压Boost变换器

级联式升压Boost变换器利用多级升压单元完成了高电压增益的目标，输入电流纹波也得到了减小，满足可高电压增益变换场合中低压输入、高压输出的要求。图1为两级式级联Boost变换器。第一级变换器开关管的电压应力较低，而第二级变换器开关管的电压应力较大，输出二极管的电压应力也较大，其反向恢复问题比较严重。此外，主电路的控制比较复杂，且系统的稳定性值得考虑。因此，级联式升压Boost变换器未得到广泛应用。

图1 两级式级联Boost变换器

1.4 二次型Boost变换器

在两级式级联Boost变换器拓扑结构基础上，有学者提出了二次型Boost变换器，将级联Boost变换器中有源开关器件的数量减少了一半，也减少了一路驱动电路的使用。该变换器具有较高的电压增益，有源开关器件的电压应力得到了明显的降低，输入电流纹波也得到有效的抑制，但有源开关器件承受的电流应力较大。

1.5 低输入电流纹波升压直流变换器

为了使高增益DC-DC变换器在要求输入电流纹波低的场合中得到充分应用，有学者提出了低输入电流纹波升压直流变换器，即将基本Boost变换器中储能电感用电容钳位住，在输入电源侧添加一辅助电感，从而形成了基本Boost低输入电流纹波变换器，如图2所示。在其基础上衍生出了多种具有低输入电流纹波特性的变换器，但额外增加的电容、二极管导致系统变得复杂。

图2 基本Boost低输入电流纹波变换器

1.6 交错并联DC-DC变换器

传统交错并联DC-DC变换器的输入输出电流脉动较小，改善了变换器的动态响应，还有利于降低变换器的电磁干扰（EMI），但变换器的电压增益与基本Boost变换器相同，并没有得到提高，功率器件的电压应力没有降低，开关管处于硬开关状态，输出二极管的反向恢复问题也没得到改善。有学者在其基础上进行了拓扑结构改进，先后提出了改进型两相交错并联Boost变换器、带开关电容网络的交错并联高增益Boost变换器、交错控制高增益ZCT Boost变换器等，进一步优化了变换器的性能，在高频、较大功率领域有着良好的应用。

1.7 耦合电感技术DC-DC变换器

耦合电压技术广泛运用到了DC-DC变换器中，电压增益不仅与开关管的占空比有关，还受到耦合电感、副边匝比的影响。在合适占空比的条件下，变换器即可实现较大的电压增益，且系统的控制维度由传统的一维拓展为两维，系统的灵活度得到了提高；功率器件的电压应力也得到了降低，有利于选择低耐压等级、低导通损耗高性能器件以改善变换器的总体效率；耦合电感漏感控制了二极管关断电流的下降率，进而解决了二极管反向恢复电流问题，有助于降低二极管的反向恢复损耗。在开关管钳位电路的配合下，耦合电感的漏感能量可被有效吸收，降低了开关管两端的电压尖峰。因此，耦合电感技术DC-DC变换器成为了研究热点之一，演变出了多种高效率、高升压比DC-DC变换器拓扑结构，广泛运用到了高升压变换领域中。

2 结论

本文对非隔离型DC-DC变换器进行了分类综述，分析了七类拓扑结构的升压原理及其工作特点，并对各自性能进行了比较，其在较大功率范围内得到了良好应用。

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〔编辑：张思楠〕

TM46

：A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.16.119

2095－6835（2017）16－0119－02

吴贵洋（1991—），男，硕士研究生，研究方向为新能源发电及其控制技术、电力电子变换器拓扑结构。