非隔离型Boost变换器拓扑结构综述

何焕文　王晓刚

摘要：非隔离型Boost变换器常用于不需要电气隔离的直流升压场合，随着应用领域的拓宽，对变换器性能要求越来越高，国内外研究学者提出了多种提高Boost变换器性能的拓扑结构。现分析了现有文献中普遍采用的多种不同升压技术的Boost变换器拓扑结构，包括级联结构、交错并联结构等，系统分析了各种拓扑结构的工作原理，对电压增益和开关器件电压应力进行对比，总结了各种拓扑结构的优缺点，指出了新型Boost变换器采用拓扑复合型结构的发展趋势，为研究和使用非隔离型Boost变换器提供一定的参考。

关键词：非隔离型变换器;高增益;拓扑结构;开关电容;开关电感

0 引言

随着全球能源危机以及环境污染问题的日益严重，开发利用可再生能源势在必行，光伏发电、燃料电池等新能源领域得到越来越多的关注。其中，Boost变换器作为新能源系统中的前级升压单元成为了研究热点。非隔离型Boost变换器采用电容、电感储能元件完成能量的高效传输，具有体积小、成本低、电磁干扰小等优点，被广泛应用于不需要电气隔离的中小功率场合。

随着半导体器件技术的进步和更好的磁性材料的出现，促使升压型DC-DC变换器性能提升，效率越来越高，应用领域的扩宽也对变换器性能提出了更高的要求。现有文献中采用了多种不同升压技术的拓扑结构，如级联结构、交错并联结构等，以实现Boost变换器的性能提升。各种开关拓扑和开关单元的排列组合，形成了大量的拓扑结构容易让人混淆，关于非隔离型Boost变换器综述资料较少，基于此，本文对这些拓扑的演变过程进行了详细分类和总结，为研究和使用非隔离型Boost变换器提供一定的参考依据。

1 传统非隔离型Boost变换器

传统的非隔离型Boost变换器采用电感、开关管和二极管组成升压单元，如图1所示。其中Vo为输出电压，Vin为输入电压，D为开关在一个周期中导通的占空比。开关管电压应力VS=Vo，输出二极管电压应力VD=Vo。

根据伏秒平衡原理，输出与输入电压比值：

根据增益公式，理论上只要开关占空比足够大，就能获得较高的升压，但开关长期工作在极限占空比状态下，电路的输入侧电流纹波增大，所需的储能电感值变大;二极管的导电时间短且电流峰值很高，会造成很大的输出电流纹波，导致输出二极管严重的反向恢复问题和电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI），增加整个电路的器件损耗。

2 新型非隔离型Boost变换器

传统的非隔离型Boost变换器电路在高升压比的情况下存在升压能力有限、功率密度低等缺点，因此提出了多种新型拓扑结构。

2.1    级联型Boost变换器

级联型Boost变换器由n个传统Boost升压单元串联组成，如图2（a）所示。级联结构的优点是不同级开关管可以工作在不同频率状态，总电压增益为各个升压单元增益总乘积，输出电压可连续调节，大幅度提高了变换器电压传输比，拓宽了输入电压范围，适用于对电压增益较高的场合。级联型是串联结构，前级单元输出电压作为后一級单元的输入电压，前级开关管的电压应力相对较低，后级单元开关管电压应力逐级增大，不利于高频开关。输出二极管的电压应力较传统Boost变换器没有改善，仍存在反向恢复问题。随着级联结构的增多，大量元器件使系统可靠性降低，开关管数量的增多，使控制回路设计变得复杂。在此基础上，提出了单开关级联型Boost电路，如图2（b）所示，电压增益按幂次方递增，n个级联单元构成的单开关级联Boost变换器，电压增益为1/（1-D）n，故称为n次型Boost变换器。

以二次型单开关Boost变换器为例进行分析，如图3所示。开关管电压应力VS=Vo，输出二极管电压应力VD=Vo。

根据伏秒平衡原理，输出电压与输入电压比值：

二次型Boost变换器引入二极管，通过共用开关管减少开关损耗，简化控制电路。与多开关级联结构相比，开关管和输出二极管的电压应力仍然等于输出电压，同时还增加了二极管的数量，输出二极管的反向恢复问题仍然存在。

2.2    交错并联型Boost变换器

交错并联型Boost变换器由n个传统Boost升压单元相互并联而成，共用输入电源和输出滤波电容，n个相交错并联结构相邻两个相位开关管控制信号依次错开2π/n，如图4所示。开关管电压应力VS1=VS2=Vo，二极管电压应力VD1=VD2=Vo。

根据伏秒平衡原理，输出与输入电压比值：

交错导通的控制方法使各相电感电流纹波相互抵消，可以减小输入电流纹波，输入电感取值减小，从而提高变换器的动态响应速度，电路中磁性元件的体积减小可以增加功率密度，还有利于降低变换器的电磁干扰（EMI）。交错并联型Boost变换器的增益与传统Boost变换器增益相等，因此在高升压比场合，开关占空比将非常大，升压效率不理想。

2.3    三电平Boost变换器

除了采用串联和并联结构，还可以通过三电平技术提高变换器性能。传统Boost变换器开关管关断时承受的电压为Vo，利用两个串联电容将其电压应力分成两份，用两个串联的开关管替代传统变换器开关管，加入二极管构成钳位电压源，其拓扑结构如图5所示。开关管S1、S2同时导通和关断，则三电平Boost变换器运行模式与传统Boost变换器相同，开关管S1、S2采用移相控制方法，两个开关管驱动信号交错导通。开关管电压应力VS1=VS2=Vo/2，输出二极管电压应力VD1=VD2=Vo/2。

根据伏秒平衡原理，输出与输入电压比值：

三电平Boost变换器开关管的电压应力和二极管电压应力较传统Boost变换器大幅降低，有利于减小开关损耗，缓解二极管的反向恢复问题;交错控制方法的实现有利于减小输入电流纹波，减小磁性元件的体积和重量，节省成本和提高功率密度。不足之处在于，三电平Boost变换器电压增益与传统Boost变换器相同，不适用于输入输出变比要求高的工作场合，采用极限占空比来提高增益会产生严重的反向恢复问题。

2.4    带开关电容Boost变换器

利用开关电容结构是实现高升压比的一种有效措施。开关电容有多种变形结构，放置位置灵活，基本原理是根据电容电压不能突变的特性，将电容等效为一个电压源。开关电容的典型结构是在充电阶段对开关电容进行并联充电，在放电阶段向负载串联放电，从而实现高升压比。带开关电容Boost变换器如图6所示。开关管电压应力VS=Vo/2，输出二极管电压应力VD=Vo/2。

根据伏秒平衡原理，输出与输入电压比值：

带开关电容升压变换器的电压增益较传统Boost变换器提高2倍;开关管和二极管的电压应力都相应降低，具有较小的损耗，转换效率高。不足之处在于，开关电容单元工作过程中存在电容直接并联的情况，变换器启动时存在较大的脉冲电流，变换器难以实现较为灵活的电压增益调节。

2.5    带开关电感Boost变换器

開关电感Boost变换器工作原理与传统Boost变换器工作原理相似，由2个电感和3个二极管组成开关电感单元，用开关电感单元代替原有电感，如图7所示。开关导通时利用二极管的单向导通性，实现电感并联充电，开关管关断时电感串联放电，通过控制开关管导通占空比来控制电压增益。开关管电压应力VS=Vo，输出二极管电压应力VD=Vo。

根据伏秒平衡原理，输出与输入电压比值：

用开关电感代替普通电感可以很好地与其他拓扑结构组合使用，但当带开关电感Boost变换器工作于高升压场合时，开关管和输出二极管电压应力大，开关损耗大，二极管反向恢复问题严重。

2.6    磁耦合型Boost变换器

磁耦合型Boost变换器是利用耦合电感代替普通电感而构成的Boost变换器，两个绕组共用磁芯，形成一对耦合电感，理想情况下忽略漏感，两个绕组匝数比N=n2/n1，如图8所示。

电压增益由开关管的占空比和耦合电感匝数比共同决定，将电压增益的控制维度从一维提升到二维，不依赖于调整占空比控制升压，增加系统灵活度。开关管电压应力较传统Boost变换器电压低，可降低开关损耗，提高转换效率。由于耦合电感副边电压，使得输出二极管D所承受的电压应力大于输出电压，二极管反向恢复问题严重。耦合电感制作比普通电感复杂，实际应用中往往还需要考虑漏感的存在，在开关管关断瞬间，漏感与开关寄生电容发生谐振，开关两端形成电压尖峰，会导致变换器效率降低，因此磁耦合通常和软开关技术组合使用。

2.7    复合型Boost变换器

上文总结的6种升压单元拓扑结构都能在一定程度上改善变换器的性能，但对性能的提升存在局限。为了能全面提升Boost变换器性能，近年来提出的新型Boost变换器拓扑普遍由两个甚至多个升压单元结构组合而成。

由二次型级联结构与开关电容结合形成的新拓扑如图9（a）所示，电压增益为二次型和开关电容的电压增益乘积，开关管和输出二极管电压都减少了一半，包含了二次型结构的高电压增益和开关电容低电压应力的优点。由交错并联结构与三电平技术结合形成的新拓扑如图9（b）所示，低电感电流纹波小，开关电压应力低，大大降低了损耗，提高了变换器效率。由交错并联、开关电容、耦合电感3个升压结构结合使用构成的新拓扑如图9（c）所示，可实现电压增益、低电流纹波、低开关应力的性能全面提升。

3 结语

综上分析可知，级联结构能显著提高电压增益，但开关器件电压应力没有改善;交错并联结构能降低输入电流纹波，对其他性能指标没有提升;三电平结构可以降低开关管和二极管电压应力，但对电压增益没有提高作用。开关电感、开关电容结构简单，可拓展性强，可很好地与其他拓扑结构组合使用。复合型Boost变换器性能全面提升，成本相应增加，实际应用中要考虑具体需求再选用。磁耦合型电路由于耦合电感磁路设计复杂，目前关于磁耦合型电感的复合型Boost变换器比较少，但它的性能优越，可替代普通电感结构，有广阔的研究前景。

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收稿日期：2020-03-02

作者简介：何焕文（1993—），男，广东广州人，硕士研究生，研究方向：电力电子技术，DC-DC变换器的应用。