文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190897
中文引用格式： 丁杰，趙世偉，文楚強. 單開關低電壓應力的高增益Boost變換器[J].電子技術應用，2019，45(12)：125-128.
英文引用格式： Ding Jie，Zhao Shiwei，Wen Chuqiang. High step-up low-voltage stress boost converter with single-switch[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(12)：125-128.
0 引言
隨著不可再生資源的消耗，使得發(fā)展綠色能源成為必然。而以新能源為首的光伏發(fā)電、燃料電池等輸出的電壓較低，為滿足能與大電網(wǎng)并網(wǎng)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(tǒng)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(lián)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(lián)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(wǎng)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(shù)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(wǎng)絡(L1、L2、D2、D3、D4)、開關電容網(wǎng)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(tài)分析
為了分析的方便，假設：(1)所有器件不考慮寄生參數(shù)，均是理想器件；(2)電容C1、C2、C0、CC很大，其電壓紋波可以忽略不計；(3)電路工作在連續(xù)導通模式(CCM)。
該變換器穩(wěn)態(tài)工作時，在一個開關周期TS內共有2個開關模態(tài)，各個開關模態(tài)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(tài)的主要工作過程如下所述。
(1)工作模態(tài)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CC和耦合電感L1、L2并聯(lián)充電，與此同時，C1、CC、C2、C0形成串聯(lián)回路，C1、C2放電，C0、CC充電。
(2)工作模態(tài)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CC串聯(lián)放電，C1、C2并聯(lián)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、CC并聯(lián)充電，同時C1、C2串聯(lián)放電。
此時耦合電感L1、L2的電壓為：
當開關管S關斷時，L1、L2、CC串聯(lián)放電，C1、C2并聯(lián)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(shù)比較
表1所示為傳統(tǒng)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(shù)的對比，其中M為變換器輸出電壓增益，US-stress為開關管電壓應力，UD-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(shù)量更少，但二極管數(shù)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(shù)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(xiàn)，電容C1、CC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(xiàn)震蕩，主要原因是二極管的結電容與電路中的寄生電感發(fā)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(wǎng)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(xiàn)電路工作模態(tài)的轉換，降低了電路成本。基于上述優(yōu)點，該變換器可用于需要高增益DC/DC變換器的新能源場合。
參考文獻
[1] ANDRADE A M S S，SCHUCH L，MARTINS M L D S.Analysis and design of high-efficiency hybrid high step-up DC-DC converter for distributed PV generation systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2019，66(5)：3860-3868.
[2] 趙新寬，陳燕東，張鎮(zhèn)強，等.基于CLD模塊的高增益二次升壓直流變換器[J].電子技術應用，2018，44(5)：155-158.
[3] YU D S，YANG J，XU R D，et al.A family of module-integrated high step-up converters with dual coupled inductors[J].IEEE Access，2018，8：16256-16266.
[4] VINNIKOV D，ROASTO I，STRZELECKI R，et al.Step-up DC/DC converters with cascaded Quasi-Zsource network[J].IEEE Transactions on Industrial Electronis，2012，59(10)：3727-3736.
[5] 熊澤成，尹強，任曉丹.高增益隔離DC/DC變換器的研究[J].電氣傳動，2017，47(12)：39-43.
[6] 屈克慶，梁曉霞，趙晉斌，等.一種帶有泵升電容的新型高增益升壓直流變換器[J].電力系統(tǒng)自動化，2014，38(19)：102-107.
[7] 羅全明，張陽，閆歡，等.一種帶耦合電感的有源鉗位高增益Boost變換器[J].中國電機工程學報，2014，34(27)：4576-4583.
[8] AJAMI A，ARDI H，F(xiàn)ARAKHOR A.A novel high step-up DC/DC converter based on integrating coupled inductor and switched-capacitor techniques for renewable energy applications[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2015，30(8)：4255-4263.
[9] 林雪風，許建平，周翔.諧振軟開關耦合電感高增益DC-DC變換器[J].電工技術學報，2019，34(4)：747-755.
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)