一种新型开关电感、开关电容的高增益Boost变换器

马智文，曾怡达，杨辉金

（西南交通大学电气工程学院，成都 610031）

随着全球能源需求的日益加剧和传统化石能源引起的环境问题，光伏、燃料电池等绿色能源得到不断应用和发展，而高增益的DC-DC变换器也受到了广泛的研究和关注[1]，其应用范围日益增大[2-3]。

具有开关电感单元的Boost变换器[4]与传统Boost传感器相比，具有单个电感体积小、相互对称、增益提升空间大的特点，但其输入增益有限，且功率开关管电压应力等于输出电压，大功率开关管导通损耗较大，同时输出端二极管承受的电压应力为输出电压，反向恢复问题较为严重；具有开关电容单元的Boost变换器[5]比之传统Boost传感器，具有开关管承受应力较低、输出端的二极管承受的反向电压较小的特点，能保护元件，但其增益只有传统Boost变换器的2倍，且电感电流平均值等于输入电流的平均值，使得磁性元件体积增加，不利于变换器的拆装。文献[6]提出一种新型的多单元开关电感/开关电容有源网络变换器，能提供一个较大的电压增益并减小电压应力，可由多个开关电感、开关电容构成；文献[7]提出一种基于电压升举技术的新兴开关技术，达到其高增益的效果。

本文综合开关电感和开关电容的优点，提出一种基于开关电感/电容的新型高增益Boost变换器，降低开关管的电压应力，便于选择导通电阻较小的功率开关管，减小开关管的导通损耗。该新型变换器具有增益大、输入电压范围较宽、电感电流小、功率开关管和输出二极管承受的电压应力小、结构灵活、成本低、方便拆装等优势。通过分析基于开关电感/电容的新型高增益Boost变换器的工作原理，得出其优点，最后通过仿真和实验验证了理论分析的正确性。

1 基于开关电感/电容的新型高增益Boost变换器工作原理分析

1.1 基本开关电感单元

图1 传统Boost电路Fig.1 Traditional Boost circuit

开关电感Boost变换器的电路拓扑如图2所示。图2中，开关电感Boost单元（虚线框内）由2个大小相等的电感 L1、L2和 3 个二极管 D1、D2、D3组成。当开关管S导通时，二极管D1、D3正向导通，D2反向截止，L1、L2由输入电压Ui充电；当开关管S断开时， 二极管 D2正向导通，D1、D3反向截止，L1、L2串联对负载放电。

图2 开关电感Boost变换器的电路拓扑Fig.2 Circuit topology of Boost converter based on the switched inductor

开关电感Boost变换器具有以下优点：①电感的平均电流比较小；②L1、L2的工作模态相互对称，便于集成于同一个磁芯；③有利于提高增益。

开关电感Boost变换器存在以下缺点：①增益较小；②功率开关管承受的电压应力等于输出电压，过高的开关管电压应力使得开关管的导通电阻值增大，增加导通损耗；③输出侧二极管电压应力为输出电压，承受的电压应力大，反向恢复问题严重，增益是，开关管S承受的电压应力是Vo。

开关电容Boost变换器的电路拓扑如图3所示。图3中，开关电容Boost单元（虚线框内）由3个大小相等的电容 C1、C2、C3和 3 个二极管 D1、D2、D3组成。当开关管S导通时，C2、C3释放能量，C1储能；当开关管S关断时，C1释放能量，C2、C3储能，同时C1提高输出电压，提高了增益。

图3 开关电容Boost变换器的电路拓扑Fig.3 Circuit topology of Boost converter based on the switched capacitance

开关电容Boost变换器具有以下优点：功率元件承受的电压应力较小，从而可以选择导通电阻小的功率元件，减小导通损耗。

开关电容Boost变换器存在的缺点是：①增益较小，仅为传统Boost变换器的2倍；②输入电流的平均值为电感电流的平均值，增加磁性元件的体积，拆装困难。

1.2 基于开关电感/电容的新型高增益Boost变换器的工作过程

图4所示是基于开关电感/电容的新型高增益Boost变换器的原理。与传统Boost电路（图1）相比，将其电感和电容分别替换为开关电感单元和开关电容单元，由电感 L1、L2，电容 C1、C2、C3，二极管 D1、D2、D3、D4、D5、D6及开关管 S 构成，其中 Vi为输入电压，R为负载。

图4 基于开关电感/电容的新型高增益Boost变换器Fig.4 New high-gain Boost converter based on switched inductor/capacitance

为简化分析，假设二级管、开关管、电容、电感均为理想元件，开关变换器的开关频率fs远大于其最大特征频率，在一个开关周期内，输入电压保持不变，D为开关位导通时间占空比，所有的电感均工作在电流连续CCM（current continuous mode）状态。图5为基于开关电感/电容的新型高增益Boost变换器在一个开关周期内的开关状态。

（1）工作状态 1（0≤t≤DTs）

当开关管S导通时，由图5（a）可知，二极管D2承受反向电压而截止，D1、D3承受正向电压而导通，输入电压Ui通过开关管S为电感L1和L2充电，电感电流线性上升；C2、C3共同释放能量给负载以维持电压稳定，C1通过C3放电来储存能量至充满。D4、D5承受反向电压而截止，D6承受正向电压导通，且C2与串联构成回路。

图5 基于开关电感/电容的新型高增益Boost变换器的开关工作状态Fig.5 Two operation states of a new high-gain Boost converter based on switched inductor/capacitance

在该工作阶段，各个元器件的电压分别为

（2）工作状态 2（DTs≤t≤Ts）

当开关管S关断时，由图5（b）可知，二极管D1、D3承受反向电压而截止，D2承受正向电压而导通，电感L1和L2串联释放能量，给负载端放电，电感L1和L2的电流线性下降；D6承受反向电压反向截止，D4、D5承受正向电压导通，C1释放能量给 C2、C3储存能量，当C1上的电压和C2上的电压相等时，C2又开始和C1一起放电给C3充电至充满。C1释放的能量能提高输出电压，且使得C2、C3能具有自均压能力。

在该工作阶段，各个元器件的电压分别为

根据式（6）~式（9），有

1.3 对工作状态分析得出的结论

根据电感伏秒（磁链）平衡原理——一个稳定运周期内，电感电流的净变化量为零，结合式（1）和式（11），得出伏秒平衡公式

增益α的表达式为

根据式（3）~式（5），功率开关管电压应力表达式为

根据式（8）~式（10），输出侧的二极管的电压应力表达式为

2 稳态特性分析

采用时间平均等效原理对所提出的基于开关电感/开关电容的高增益Boost变换器进行直流稳态分析，其直流稳态等效电路如图6所示。

图6 基于开关电感/开关电容的新型高增益Boost变换器直流稳态等效电路Fig.6 Stable DC equivalent circuit of a new high-gain Boost converter based on switched inductor/capacitance

图6中当电路工作在直流稳态，电感可以看作短路，电容可以看作开路，可得基于开关电感/电容的新型高增益Boost变换器的电压传输比和变量关系，即

功率元件的电压应力为

3 实验论证

本文设计了一台规格为输入电压12 V、输出电压72 V、输出电流1.97 A、输出功率为20 W的实验样机，如图7所示，验证本文提出变换器的工作原理。

图7 主电路实验样机Fig.7 Experiment prototype of main circuit

采用如表1所示的主电路参数对本文提出的基于开关电感/电容的新型高增益Boost变换器进行实验，验证理论分析结果。

表1 基于开关电感/电容的新型高增益Boost变换器主电路参数Tab.1 Main circuit parameters of a new high gain Boost converter based on switched inductor/capacitance

如图8所示为基于开关电感/电容的新型高增益Boost变换器的实验波形。图8（a）中，当输入电压为 12 V,输出电压为 72 V,与式（14）、式（19）结果相符。图8（d）中，当输出电压为72 V,功率开关管S承受的电压应力为36 V,与式（15）、（22）相符。如图8（e）所示，当输出电压为72 V,输出端二极管D4承受的电压应力为36 V,与式（16）、（23）相符。如图8（b）和图8（c）所示，输入电流为 1.97 A，效率为85%。表2为工作特性对比分析，表2进一步说明了本电路的优越性。

图8 基于开关电感/电容新型高增益Boost变换器实验波形Fig.8 Experimental waveforms of a new high-gain Boost converter based on switched inductor/capacitance

表2 工作特性对比分析Tab.2 Comparative analysis of operating characteristics

从表2能直观看出，本文提到的新型变换器的优势，主要是能够增大电路增益，减小元器件电压应力。

因此，实验结果验证了理论分析的正确性。

4 结语

基于开关电感/电容单元的特点，提出了一种新型的高增益Boost变换器，它结合了开关电感、开关电容的优点，降低功率器件承受的电压应力，为传统拓扑的一半，所以开关管的导通损耗和二极管的反向恢复损耗直流降低，增益较高。使得这种新型开关电感/电容的新型高增益Boost变换器能够应用于直流增益较大、功率元件承受的电压应力较低、输入电流连续、输入电压范围宽的场合，且通过实验验证了理论分析。

参考文献：

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[6]王挺,汤雨,何耀华,等.多单元开关电感/开关电容有源网络变换器[J].中国电机工程学报,2014,34（6）:832-838.Wang Ting,Tang Yu,He Yaohua,et al.Multicell switchedinductor/switched-capacitor active-network converter[J].Proceedings of the CSEE,2014,34（6）:832-838（in Chinese）

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