0 引言

    隨著不可再生資源的消耗，使得發展綠色能源成為必然。而以新能源為首的光伏發電、燃料電池等輸出的電壓較低，為滿足能與大電網并網運行，必須將光伏板、燃料電池輸出的低壓升高很多倍^[1-3]。傳統的Boost變換器輸出電壓增益有限，且開關管的電壓應力較大。

    目前，基于Boost變換器，提出了許多新型高增益升壓變換器。文獻[4-5] 提出了級聯型Boost升壓變換器，但所用功率器件多，效率低下，且后級功率器件電壓應力較高。文獻[6]提出了采用泵升電容高增益直流變換器，該變換器將基于泵升模塊的級聯型升壓變換器前一級的輸出電容和二極管去掉，進而可以將增益擴大一倍，但其開關管和輸出二極管的電壓應力較大，且該變換器的電壓增益仍然有限。文獻[7-9]提出了基于耦合電感的高增益變換器，利用增加耦合電感繞組匝比來提高輸出電壓增益，但這樣會導致耦合電感漏感增加，進而使得開關管關斷時存在很高的電壓尖峰，容易損壞開關管，加入箝位電路又會增加變換器的復雜性和損耗。

    本文以文獻[6]的拓撲結構為基礎，通過對電路結構加以改進，提出了單開關低電壓應力的高增益Boost變換器。該變換器引入了開關電感和開關電容網絡使得電壓增益進一步提高，降低了開關管、二極管的電壓應力，減少了開關管的數量。

1 變換器拓撲分析

1.1 變換器拓撲結構

    圖1給出了本文提出的單開關低電壓應力的高增益Boost變換器的拓撲結構，該拓撲主要由開關電感網絡(L₁、L₂、D₂、D₃、D₄)、開關電容網絡(C₁、C₂、D₅、D₆)、泵升電容CC組成。為了進一步提高變換器的功率密度，L₁、L₂繞在同一個磁芯上，組成耦合電感。

1.2 工作模態分析

    為了分析的方便，假設：(1)所有器件不考慮寄生參數，均是理想器件；(2)電容C₁、C₂、C₀、C_C很大，其電壓紋波可以忽略不計；(3)電路工作在連續導通模式(CCM)。

    該變換器穩態工作時，在一個開關周期T_S內共有2個開關模態，各個開關模態的主要工作波形及等效電路分別如圖2、圖3所示，各開關模態的主要工作過程如下所述。

    (1)工作模態1[t₀-t₁]：在此階段中，開關管S導通，二極管D₁、D₂、D₄、D₇導通，D₃、D₅、D₆關斷。泵升電容C_C和耦合電感L₁、L₂并聯充電，與此同時，C₁、C_C、C₂、C₀形成串聯回路，C₁、C₂放電，C₀、C_C充電。

    (2)工作模態2[t₁-t₂]：在此階段，開關管S關斷，二極管D₃、D₅、D₆導通，D₁、D₂、D₄、D₇關斷。耦合電感L₁、L₂和泵升電容C_C串聯放電，C₁、C₂并聯充電，輸出電容C₀對負載放電。

2 性能分析

2.1 電壓增益M

    當開關管S導通時，L₁、L₂、C_C并聯充電，同時C₁、C₂串聯放電。

    此時耦合電感L₁、L₂的電壓為：

    當開關管S關斷時，L₁、L₂、C_C串聯放電，C₁、C₂并聯充電。

    此時耦合電感L₁、L₂的電壓為：

2.2 電壓應力

    開關管S、二極管D₁、D₅、D₆、D₇電壓應力為：

    圖4給出了元器件電壓應力隨占空比變化的曲線。由圖4可知，所有元器件的電壓應力都遠小于輸出電壓Uo，可以采用低電壓應力、高性能的開關管和二極管，進而提高整個電路的效率和可靠性，降低電路的成本。

2.3 各項性能參數比較

    表1所示為傳統Boost變換器、文獻[6]提出的變換器與本文提出的變換器各項性能參數的對比，其中M為變換器輸出電壓增益，U_S-stress為開關管電壓應力，U_D-stress為輸出二極管電壓應力。由表1可知，本文所提出的變換器具有更高的電壓增益，且開關管和輸出二極管的電壓應力更低，可選取低電壓等級、低導通電阻的開關管，提高變換器的效率，降低電路成本。相對于文獻[6]，本文提出的變換器開關管和電感數量更少，但二極管數量較多。

3 實驗結果與分析

    為了驗證以上分析的正確性，搭建了一臺200 W的原理樣機，實驗所需主電路參數如表2所示，所測得的波形如圖5所示。

    由圖5(c)可見，當占空比約為0.7時，完成了30 V到380 V的高增益轉換，避免了極限占空比的出現，電容C₁、C_C的電壓與理論計算值相符。圖5(a)給出了部分二極管和開關管漏源極的電壓波形，可以看出二極管和開關管的電壓應力與理論計算值相符，滿足低電壓應力要求。由圖5(b)可以看出二極管的電流波形與理論分析基本相同，而電感L₁、L₂的電流上升的斜率并非完全相同，這是因為制作電感時L₁、L₂會有一定的誤差，導致L₁大于L₂。上述波形在開關管動作時均會出現震蕩，主要原因是二極管的結電容與電路中的寄生電感發生了諧振。

    圖6為變換器的效率隨輸出功率變化的曲線，可以看出滿載時效率最高，為90.8%。

4 結論

    提出一種單開關低電壓應力的高增益Boost變換器，分析了該變換器的工作原理、性能特點，并通過實驗驗證理論分析的正確性。該拓撲通過泵升電容與開關網絡單元的巧妙結合，能夠進一步提高電壓增益，降低功率器件的電壓應力，且拓撲結構簡單，采用單開關實現電路工作模態的轉換，降低了電路成本。基于上述優點，該變換器可用于需要高增益DC/DC變換器的新能源場合。

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作者信息:

丁  杰，趙世偉，文楚強

(華南理工大學 電力學院，廣東 廣州510640)