一种多输入高增益DC/DC变换器

戴俊平，张晓瑀

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

近年来，世界能源需求显著增加，化石能源的使用增加了温室气体的排放，造成更多的环境污染，因此对清洁能源的需求正在上升。人们进行了大量的研究，以寻找新的能源或加强现有的技术，如光伏电池、燃料电池、超级电容器等。在电动汽车领域，燃料电池等新型能源广泛应用，但其输出电压较低，无法达到电机驱动电压的要求。而多输入高增益变换器可以结合不同电源的优势，具有不同的电压和电流特性，各种电压增益单元也被用来提高电压转换能力，实现最佳的经济利用。这使得多输入高增益DC/DC变换器受到越来越多的关注。

多输入DC/DC变换器将各种直流电源的输出转换为公共直流总线的电源。对于多输入DC/DC变换器的分析、建模和应用都有着大量的研究，这些应用包括并网集成混合动力发电系统、燃料电池、基于微电网的电信电力系统、不间断电源以及电动和混合动力汽车。传统的分布式电源系统使用多个单输入变换器，其输出连接到公共直流母线[1]。然而，这种配置相对复杂且成本高，可以用一种更简单、更紧凑的方法有效取代几个单输入变换器相对复杂的设置。早期的多输入DC/DC变换器是通过串联输入电压源的方式，来获得多输入拓扑[2]。在这种配置中，如果一个输入源减少，输出电压调节将会变得十分困难。另一种方法是将输入电压源与单输入单输出变换器的输入端口并联[3]。为了防止输入电压源一起短路，主开关必须与每个输入源串联。因此，只有一个输入源可以单独将能量传递给负载。文献[4-5]中的多输入变换器可以将功率容量或电压水平不同的多个电源组合在一起，从而获得稳定输出电压。这些拓扑结构的缺点是一次只允许一个电源将能量转移到负载，以防止功率耦合效应。在文献[6-7]中提出的电流馈电型多输入变换器中，来自不同电源的能量可以通过多绕组变压器同时转移到负载中。但由于功率开关数量多，需要复杂的门驱动电路和控制器，因此该变换器成本高，体积大。文献[8]中提出的多输入DC/DC变换器在一次侧采用了几个并联变换器，能实现高升压，但是在一次侧的每个变换器有2个电感，使设计笨重且昂贵。文献[9]中使用了z源变换器，尽管这种拓扑结构简单且可靠性高，但电压源的数量被限制为2个，不能将这种拓扑扩展到多输入源。

同时，由于各种基本DC/DC变换器升压能力不足，高增益DC/DC变换器的应用也越来越广泛。文献[10]中传统的二次型DC/DC升压变换器可以获得较高的电压增益，但在输出侧功率半导体上的电压应力与输出电压相当。文献[11-12]中引入的开关电容配置能够获得高电压增益，但不能实现灵活的电压调节。文献[13]采用耦合电感进一步提高了变换器的电压转换比。在文献[14-15]中提出了基于开关电容器的有源网络的拓扑结构，功率半导体上的电压应力可以减少一半，但由于电路的漏感，电源开关可能会产生一个大的电压尖峰。本文提出了一种多输入高增益DC/DC变换器，可用于多种混合可再生电力系统，其主要特点如下。

a.该拓扑适用于较宽的功率级，可以容纳任意数量的输入源。

b.该变换器中的电源可以在1个开关周期内独立或同时向负载提供能量，其中1个电源发生故障电路仍能正常工作。

c.该拓扑进行了优化，具有高增益的特点。

1 变换器拓扑和工作原理

变换器拓扑如图1所示。图1(a)由n个输入单元、2个电感、5个电容和5个二极管组成。每个输入单元包含1个直流源、1个开关管和1个二极管，输入单元的个数可以根据实际情况和需求进行调整。为了简化分析过程，接下来对含2个输入单元的变换器进行分析。如图1(b)所示，uin为输入端电压，uL1、uL2为电感L1、L2的电压，uC1、uC2、uC3、uC4、uC5为电容C1、C2、C3、C4、C5的电压。做以下假设。

a.电感值大到足以使流过它们的电流保持恒定。

b.所有开关器件都被认为是理想的，忽略了电路和器件寄生参数的影响。

c.输出端电容足够大，输出电压恒定。

假定电感L1和L2相等，u1=u2=uin，开关S1、S2始终闭合，二极管D1、D2反向截止。所提变换器的主要波形如图2所示，K为占空比。经分析，该变换器在1个周期内的具体工作流程如下。

a.模态1[t0-t1]。等效电路如图3所示，该模态中，开关S3、S4闭合，二极管D3、D4、D5、D7均关断，二极管D6导通。电感电流iL1、iL2线性上升，L1由直流电源u1、u2充电，L2由电容C1、C2串联充电，电容C3由电容C2、C4串联充电。在此模态下，电容C1、C2、C4放电，电容C3充电。得到电感电压方程。

(1)

b.模态2[t1-t2]。等效电路如图4所示，该模态中，开关S3、S4关断，二极管D3、D4、D5、D7均导通，二极管D6关断。电容C1、C2由直流电源和电感L1并联充电，电容C4由直流电源和L1、L2串联充电，电容C4、C5由直流电源和L1、L2、C3充电。在此模态下，电感L1、L2及电容C3放电，电容C1、C2、C4、C5充电。得到电感电压方程。

(2)

2 性能特点

2.1 输入-输出电压增益

分析含2个输入单元的变换器，根据电感L1、L2的伏秒平衡原理，可得:

(3)

进而得到含2个输入单元变换器的输入-输出电压增益比M。

(4)

由此推广到含n个输入单元时，电感L1、L2的伏秒平衡如下。

(5)

所以含n个输入单元和的变换器输入-输出电压增益M为

(6)

2.2 器件电压应力

如图2所示，开关S3、S4的电压应力为uS3、uS4，二极管D1、D2、D3、D4、D5的电压应力分别为uD1、uD2、uD3、uD4、uD5，电容C1、C2、C3、C4、C5的电压应力分别为uC1、uC2、uC3、uC4、uC5，由式(3)可以得到:

(7)

(8)

(9)

2.3 器件电流应力

根据电容C1、C2、C3、C4、C5的安秒平衡原理可得:

(10)

若忽略变换器损耗，且输入功率等于输出功率，可得：

(11)

3 仿真分析

3.1 仿真及参数设计

为了验证理论分析，基于MATLAB/Simulink搭建了含2个输入单元变换器拓扑的仿真模型，具体参数设计如表1所示。

表1 主要参数设置

3.2 仿真结果分析

仿真波形如图5所示。图5(a)为开关管S3、S4的驱动电压波形和输入输出电压波形，开关管S3、S4的占空比为0.42，开关管S1和S2始终闭合，仿真结果与理论分析一致。图5(b)为二极管D1、D2、D3、D4、D5的电压波形，与理论值uD1=uD2=69 V，uD3=uD4=uD5=238 V一致。图5(c)和图5(d)为电容C1、C2、C3、C4、C5的电压波形。图5(e)为电感L1、L2的电流波形，与理论结果一致。可以看出占空比较小时就能获得较高的增益，电路不用长时间工作在大电流的情况下，起到保护电路的作用。同时占空比可以进行宽范围的调节，以便于更好地调节增益比。

4 结语

通过理论计算得出主电路元器件参数，运用MATLAB/Simulink仿真软件搭建仿真模型，并根据以上仿真结果，可以看出仿真波形与理论分析值一致。

本文提出了一种新型的多输入高增益DC/DC变换器，适用于各种输入电压的应用，是一种很有前景的能源多样化的拓扑结构。该变换器中的所有电源都可以在1个开关周期内同时或单独向负载供电，当某个输入端发生故障时，电路仍能正常工作。同时输入单元个数可以根据实际情况进行调节，所提拓扑具有高可靠性和高增益的特点。本文对稳态运行时的电容电压、电感电流、二极管电压以及电压增益进行了研究，仿真结果对理论分析进行了验证。未来的工作将涉及控制、电源管理以及将多种可再生能源网格化，该拓扑也能在混合动力汽车中得到广泛应用。