一种单开关高增益DC-DC升压变换器

深圳供电局有限公司 陈泰霖 柴二亮 樊 晔 符湛茹 深圳微网能源管理系统实验室有限公司 廖贵膑

深圳带电科技发展有限公司 缪宝锋 广东工业大学自动化学院 廖宇凯

近年来，科技的进步使得人类对电的需求急剧增加[1]。近10年来，化石能源的日益枯竭、环境问题日趋严重等问题迫使科研人员开发风能、太阳能光伏等可再生能源[2-5]。然而，太阳能光伏等可再生能源的输出电压远低于直流母线电压，不能够直接并入直流母线中。因此，需要在太阳能光伏输出和直流母线中加入一级DC-DC升压变换器[6-8]。

Boost变换器是经典的升压变换器，具有拓扑简单、器件少、控制简单等优点[9]。在开关管占空比足够大的情况下，其增益理论上能达到无穷大。然而现实中，由于变换器中存在寄生参数、二极管的反向恢复效应等原因，在高占空比下，Boost变换器的增益也极为有限。而其他经典的变换器如Buck-Boost变换器、SEPIC变换器、Zeta变换器也存在着上述问题。

将多个DC-DC升压变换器级联是有效提升变换器增益的方法之一[10]。然而级联变换器往往存在着大量的冗余器件。这会导致变换器效率低下、制造成本高，甚至多余的开关管还会带来控制上的困难。并且大量的寄生参数还会形成潜电路，增加了不需要的工作模态，严重时还会使变换器的性能改变，使得变换器无法正常工作[11-12]。

近年来，科研人员们提出了大量带变压器或耦合电感的升压变换器[13-16]。文献[17]所提出的隔离型升压变换器通过提高变压器一二次侧的变比，大大提升了升压倍数。但是，所有的隔离型升压变换器都有二次侧的电压应力高的特性，这使得二次侧必须使用高耐压的开关管，不仅增加了器件成本，还增加了导通损耗和开关损耗，进而影响了变换器的效率[18]。此外，变压器使得变换器的体积和质量大大增加，降低了变换器的功率密度。文献[19]构造出了基于耦合电感的升压变换器，通过提高耦合电感的匝数比，可以实现耦合电感变换器的高电压增益。然而耦合电感的漏感是导致电流产生尖峰的重要因素，需要使用箝位电路对其进行抑制，这无疑增加了变换器的器件成本。

基于此，本文提出了一种单开关高增益DC-DC升压变换器。所提出的变换器对输入电压作了两次提升，并且通过输出侧的二极管和电容将电压进行了进一步泵升。所提出的变换器仅包含一个开关管，控制简单，并且不含变压器及耦合电感也降低了变换器的体积，提升了功率密度。

1 变换器拓扑及工作原理

1.1 变换器拓扑

图1为本文所提出的单开关高增益DC-DC升压变换器的等效电路。

图1 变换器的等效拓扑

其中包括直流输入电源Vin，二极管D1,D2,D3,D4，开关管S，电感L1,L2,L3，电容C1，C2，C3和负载R。

1.2 工作原理分析

图2为变换器的主要波形图，从图2可以看出，所提出的变换器共有两个工作模态。各个工作模态等效图如图3所示，虚线代表电流流通路径。

图2 变换器的主要工作波形

工作模态一[0-DTs]：如图3（a）所示，在此时间间隔内，开关管S开通，二极管D1、二极管D2、二极管D4和二极管D5导通，二极管D3和二极管D6不导通，电源Vin给电感L1、电感L2、电感L3及电容C1充电，电容C2、C3维持电压基本恒定，给电容C4充电并给负载R供电。

在此模态下，流经电感L1、电感L2、电感L3的电流持续线性上升并且两端的电压表示如下：

工作模态二[DTS-TS]：如图3（b）所示，在此时间间隔内，开关管S关断，二极管D3和二极管D6导通，二极管D1、二极管D2、二极管D4和二极管D5关断。电源Vin、电感L1、电感L2、电感L3及电容C1给电容C2、C3充电，电感L3中的能量也释放给电容C3，电容C4维持电压基本恒定并给负载R供电。

图3 各个工作模态的等效电路及电流路径

在此模态下，流经电感L1、L2、L3的电流持续线性下降并且两端的电压表示如下：

2 变换器增益分析

升压增益。为了便于进行分析，简化分析过程，本文作出了以下三个假设：

一是在一个周期中，流过电感的电流和电容两端的电压为恒值。二是所有的器件都为理想器件。三是L1=L2。

在工作模态1中，从图3（a）可以看出VL1=VL2。

在工作模态2中，如图3（b）所示，电感L1与电感L2串联，并且其感值相同，因此同样有VL1=VL2，由公式（2）可得：

结合公式（1）至（3），根据电感固有的伏秒平衡特性，对于电感L1和电感L2可以得到如下关系式：

对于电感L3可以得到如下关系式：

又因为在开关管S开通时，电容C1直接连通到直流输入电源Vin两端，因此：

且

根据公式（4）至（7），可得单开关高增益DC-DC升压变换器的电压增益。

3 参数设计

假设电感电流纹波允许范围xL=10%，电容电压纹波允许范围xC=5%。

3.1 电感设计

对于电感L1有：

由公式（9）至（12）可得：

对于电感L2有：

对于电感L3有：

由公式（15）-（18）可得：

3.2 电容设计

对于电容C1有：

由公式（20）至（23）可得：

对于电容C2有：

4 仿真验证

为了验证本文所提出的变换器的有效性和正确性，采用了仿真软件PSIM对其进行仿真验证。其中使用的仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

由公式（25）至（28）可得：

对于电容C3有：

由公式（30）至（33）可得：

对于电容C4有：

由公式（35）至（38）可得：

图4为所提出的变换器在表1参数下仿真得到的驱动信号、输入电压和输出电压波形图。输出电压为120V，与理论分析一致。

图4 Vgs、Vin及Vo的波形

图5为电感L1、电感L2及电感L3的波形，分别为14.4A、14.4A及2.4A，纹波为10%，能够满足设计的要求。

图5 IL1、IL2及IL3的波形

5 结论

本文提出了一种新型的单开关高增益DC-DC升压变换器。所提出的变换器使用了开关电感对输入电压作了第一次提升，再通过二次型结构对输入电压作了第二次提升，最后通过输出侧的二极管和电容将电压进一步泵升。与传统的DC-DC升压变换器相比，所提出的变换器 在具有极高的增益的同时，仅需要一个开关管，控制简单。并且不含变压器及耦合电感，具有高功率密度。最后的仿真验证了所提出的变换器的有效性和正确性。