具有磁集成开关电感单元的直流变换器

李洪珠，曹人众，张 垒

（1.辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，葫芦岛 125105;2.国网辽宁省电力有限公司辽阳供电公司，辽阳 111000）

随着清洁能源的不断发展，高性能的直流变换器也受到了普遍关注。近年来，为了提高直流变换器的电器性能，高电压增益DC-DC 变换器广泛应用于不间断电源、光伏和燃料电池新能源系统等工业领域[1-5]。近年来为了提高直流变换器的性能，很多学者将开关电感单元和磁集成技术应用到其中，不仅推动了新能源的发展，还为实验研究提供了依据[6-11]。

现阶段已有学者对Boost 变换器进行研究与拓展。文献[6]提出了一种基于开关电感的有源网络升压变换器，该变换器具有较高的电压增益，降低了开关管的电压应力，但未考虑将各个电感进行磁集成技术，减小电感电流纹波与变换器整体体积；文献[7]提出一种基于开关电容和耦合电感的4 相交错并联双向变换器拓扑，提高了双向变换器的转换效率和功率密度，减小功率器件电压和电流应力，以及进一步提高变换器电压增益；文献[8]提出了一种高电压增益的Boost 变换器，该变换器具有电压增益高、输入电流连续和开关管应力小等特点，适用于两级并网系统等对变换器的输入电压变化范围要求较宽的新能源领域。

本文研究的Boost 变换器，在新型拓扑之上引入开关电感单元，同时将开关电感单元与输出电感进行磁集成，这样不仅较大程度地提高了Boost 变换器（Boost-MSI）的电压增益，还减少了支路电感的电流纹波、变换器的物理体积和变换器的损耗，进而优化了变换器输出的电能质量[9]。

1 新型变换器的模态分析

1.1 新型变换器的拓扑

Boost-MSI 的拓扑结构如图1 所示，使用L1、L2和D1～D3组成的开关电感单元代替输入电感，变换器由单个控制开关Q 控制，且开关电感单元采用正向耦合，开关电感单元与输出电感L3采用反向耦合，电感正向耦合的互感为M1，反向耦合的互感为M2，设开关电感单元绕组Li的电感取值相等，即Li=L（i=1，2），输入输出电压分别为Vin和Vo，假设拓扑中器件都是理想器件，储能电容足够大。

图1 Boost-MSI 变换器拓扑Fig.1 Topology of Boost-MSI converter

1.2 模态分析

1.2.1 模态1[t0，t1]

在模态1[t0，t1]中，开关管Q 导通，D2、D7和D9反向截止，电感L1、L2为并联储能状态，电感电流和上升，储能电容C1为L3储能，同时也为储能电容C2充电，电感电流上升，储能电容C3为负载提供能量，M1、M2为2 组电感之间的互感系数。电路模态如图2（a）所示，其电路电压方程为

图2 开关变换器电路模态Fig.2 Circuit modes of switching converter

1.2.2 模态2[t1，t2]

在模态2[t1，t2]中，开关管Q 截止，电感L1与L2电压反向串联放电，二极管D2导通，D1和D3截止，D7、D8和D9正向导通。电源为电容C1充电，同时和电容C2、电感L1、L2和L3共同为负载供电，用和表示2 组电容的电压，则电路模态如图2（b）所示。该模态下的电压、电流波形如图3 所示，`其电路电压方程为

图3 电压、电流波形Fig.3 Waveforms of voltage and current

2 变换器工作性能分析

2.1 电压增益分析

由式（1）和式（2）可以得到

由式（1）和式（3）可以得出矩阵方程为

求解式（4）可得

由式（2）可得矩阵方程为

求解矩阵方程式（6）得

由矩阵方程式（5）和式（7）可得

式中，ΔiL1+、ΔiL1-和ΔiL3+、ΔiL3-分别为两组电感L1和L3正、负波形时的电流变化量。

根据伏秒积定理，由式（8）～式（11），可以得出电压增益为

式中，G 为Boost-MSI 的电压增益，是传统Boost 变换器的（2-D）（1+D）/（1-D）倍，且与耦合系数无关。

2.2 支路电流纹波分析

设电感的耦合系数为

令L=αL3，由式（8）～式（16）可得电感电流纹波为

在变换器模态1[t1，t2]中，L1和L2是串联状态，所以电感L1和L2应正向耦合，即k1>0；在k1>0 的情况下，由式（17）和式（18）可见，若k2<0，将会导致变换器电流纹波增大，为了保证电流纹波有所减小，应使k2>0。设ε1和ε2为电感L1、L3输出电流纹波系数，则

由式（19）和式（20）可知，变换器的支路电感电流纹波不仅与耦合系数有关，还与电感L1（L2）与L3比值α 有关。本文取α=1 进行分析，支路电感电流纹波与耦合系数的关系如图4 所示，可以看出，ε1和ε2与占空比D 有关系；ε1随着k1的增大而减小，ε2随着k1的增大而增大。首先将设计区域规划在ε2中的阴影区域内，取k1尽可能小，再由图中信息对比出ε1中的k1取值。k1确定后再由图确定k2。由图还可以看出，ε2受到占空比的影响非常大，当D=0.8 时，设计区域几乎看不到了，所以在符合应用场合的前提下，占空比取小值，同时需要保证，否则就会出现图4 中竖线所示的不存在的情况。

图4 电流纹波与耦合系数的关系Fig.4 Relation between current ripple and coupling coefficient

2.3 开关器件电压应力分析

由图2 可以得出Boost-MSI 变换器开关器件Q、D4、D7和D5的电压应力分别为

传统Boost 变换器与Boost-MSI 变换器的开关器件电压应力对比数据如表1 所示，两种变换器开关器件电压应力与输出电压关系如图5 所示。

表1 传统Boost 与Boost-MSI 的开关器件电压应力数据对比Tab.1 Comparison of voltage stress data between the conventional Boost and Boost-MSI switching devices

图5 两种变换器的开关器件电压应力Vstress 与输出电压Vo 的关系Fig.5 Relation between voltage stress Vstress and output voltage Vo of the switching devices in two converters

由图5 可以得出，在具有相同的输出电压以及占空比取值范围内，Boost-MSI 变换器开关器件的电压应力都比传统Boost 变换器的低。

3 仿真验证

根据应用场合的需要，设置输入12 V，要求获得输出48 V，频率fs=100 kHz，根据式（14），计算得出占空比D=0.27。仿真参数如表2 所示。

表2 仿真参数Tab.2 Simulation parameters

3.1 电感电流纹波仿真验证

D=0.27 时，根据设计区域进行合理设计。将k1取0.1，k2取0.432，未集成下L1电感电流纹波i1和L3电感电流纹波i3的仿真结果如图6 所示。图6（a）是电压增益仿真结果，图6（b）表明应用磁集成技术电感电流纹波有明显减小，验证了理论的正确性。

图6 仿真结果Fig.6 Simulation results

3.2 开关器件电压应力仿真验证

Boost-MSI 变换器中的开关器件电压应力仿真波形如图7 所示。从图中可以看出，在输入1 2 V、输出48 V 时，VQ≈36.4 V，VD4≈23.5 V，VD7=VD8≈37 V，VD5≈12.3 V。以上仿真数据验证了Boost-MSI 变换器开关器件的电压应力理论分析的正确性。

图7 开关器件电压应力仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of voltage stress of switching device

4 实验验证

Boost-MSI 变换器的实验样机参数如表3 所示，开关频率fs=100 kHz，占空比取0.262。

表3 实验参数Tab.3 Experimental parameters

4.1 电压增益实验

Boost-MSI 变换器电压增益的实验结果如图8所示。可见，实验结果验证了理论分析的正确性。

图8 电压增益实验结果Fig.8 Experimental results of voltage gain

4.2 电感电流纹波实验

Boost-MSI 变换器的实验样机的集成电感采用阵列式结构，如图9 所示，磁件两端为开关电感内的电感L1和L2，中间为电感L3，这种结构使得L1与L2的互感M1为0 μH。由于加入气隙的原因，2 个电感与L3的互感M2调节为5.4 μH，使得耦合系数k1=0、k2=0.48。

图9 集磁件结构Fig.9 Structure of integrated magnetic component

Boost-MSI 变换器的电感电流纹波实验结果如图10 所示，图10（a）为电感L1（L2）的电流波形，图10（b）为电感L3的电流波形。图10 验证了理论分析的正确性。

图10 Boost-MSI 变换器的电感电流纹波实验结果Fig.10 Experimental results of inductor current ripple of Boost-MSI converter

4.3 开关器件电压应力实验

Boost-MSI 变换器开关器件的电压应力实验如图11 所示，验证了理论分析的正确性。

图11 开关元器件电压应力实验结果Fig.11 Experimental results of voltage stress of switching component

5 结论

本文以传统Boost 变换器拓扑为基准，结合已提出的新型变换器的拓扑，引入开关电感单元进一步提高变换器的电压增益，同时应用磁集成技术，减小电感电流纹波和磁性器件的物理体积。通过理论分析，再应用仿真与实验验证，Boost-MSI 变换器具有以下特点：

（1）应用开关电感单元的Boost-MSI 变换器的电压增益是传统Boost 变换器的（2-D）（1+D）/（1-D）倍；

（2）将开关电感单元中的电感与储能电感L3进行正向耦合，合理设计耦合系数，显著减小了支路电感电流纹波；

（3）Boost-MSI 变换器的开关器件的电压应力相比于传统Boost 变换器有所降低。