陳顯東，曹太強(qiáng)，林玉婷

（西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，成都610039）

0 引 言

在新能源系統(tǒng)中，由于燃料電池、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、蓄電池等輸出直流電壓較低，如何將較低直流電壓升壓為逆變器前段需要的直流電壓760 V直流電壓和全橋逆變器并網(wǎng)輸入的380 V直流電壓，這就是本文綜述的高增益DC-DC變換器［1-4］。

隔離型升壓變換器相比于非隔離型升壓變換器相比自身帶有變壓器，可以通過調(diào)節(jié)匝數(shù)比來(lái)實(shí)現(xiàn)高增益。但在功率較大場(chǎng)合中變壓器匝數(shù)過大會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)困難且漏感較大，無(wú)法降低二極管電壓應(yīng)力，導(dǎo)致?lián)p耗高，從而影響變換器性能。因此非隔離型高增益變換器具有很高研究?jī)r(jià)值。

傳統(tǒng)Boost升壓變換器在使用的過程通常存在以下問題：（1）開關(guān)管及二極管的電壓應(yīng)力較大；（2）開關(guān)損耗、二極管反向恢復(fù)損耗大，導(dǎo)致變換效率低；（3）dv／dt大，導(dǎo)致 EMI（Electromagnetic Interference）嚴(yán)重；（4）抗輸入電壓擾動(dòng)能力及動(dòng)態(tài)性能差。

由于傳統(tǒng)boost變換器存在的缺點(diǎn)，變換器在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到限制，其輸出電壓一般只達(dá)到輸入電壓的4～6倍。為了使高增益變換器更好的工程上得到應(yīng)用，近年來(lái)提出了眾多不同的新型高增益拓?fù)潆娐?，都有著各自的?yōu)缺點(diǎn)?，F(xiàn)有的多種非隔離型高增益直直變換器按照其構(gòu)成的原理不同大致可以分為基于二端口網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)型升壓變換器［5-11］、三電平高增益變換器［12-18］、帶開關(guān)電容高增益變換器［19-27］、基于三端口交錯(cuò)并聯(lián)型高增益變換器［28-36］、以及耦合電感型高增益變換器［37-45］。

文章在通過閱讀國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)非隔離型高增益變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了綜述，并根據(jù)原理的不同進(jìn)行了分類，簡(jiǎn)要闡述了電路的工作原理，對(duì)比分析了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 非隔離型高增益DC-DC變換器綜述

傳統(tǒng)的Boost升壓變換器拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 傳統(tǒng)Boost變換器拓?fù)銯ig.1 Basic topology of traditional Boost converter

在一個(gè)穩(wěn)態(tài)連續(xù)模式（CCM）周期內(nèi)，對(duì)電感由伏秒平衡可以求得變換器的電壓增益：

由式（1）可知，理論上M隨著占空比D增大趨于無(wú)窮大，但實(shí)際中由于電路參數(shù)影響往往只能達(dá)到4～6倍電壓升壓效果。為了解決傳統(tǒng)Boost變換器電壓增益較低問題，許多高增益拓?fù)湎嗬^被提出。

1.1 基于二端口網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)型高增益變換器

傳統(tǒng)Boost升壓變換器在拓?fù)渖峡梢钥醋鍪怯奢斎腚妷篣in、輸出電壓Uo以及升壓模塊構(gòu)成的二端口網(wǎng)絡(luò)模型，如圖2所示。

圖2 Boost二端口網(wǎng)絡(luò)模型Fig.2 Boost two-port network model

其中升壓模塊由開關(guān)管S、電容C、電感L、二極管D構(gòu)成。通過多個(gè)升壓模塊串聯(lián)，可以得到更高的輸出電壓。兩級(jí)級(jí)聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)模型如圖3所示。

圖3 兩級(jí)級(jí)聯(lián)型二端口網(wǎng)絡(luò)模型Fig.3 Two-level cascaded boost two-port network model

由網(wǎng)絡(luò)模型可以得到2級(jí)級(jí)聯(lián)拓?fù)潆娐?。如圖4（a）所示，在一個(gè)連續(xù)穩(wěn)態(tài)周期內(nèi)，級(jí)聯(lián)型變換器的電壓增益為：

圖4 級(jí)聯(lián)型Boost升壓變換器拓?fù)銯ig.4 Topology of cascaded Boost converter

由式（2）可知，與傳統(tǒng)Boost變換器相比，兩級(jí)聯(lián)型變換器的電壓增益為傳統(tǒng)電路的平方倍。因此相同輸入電壓情況下，級(jí)聯(lián)型電路能夠得到更高的輸出電壓。同理，若將變換器經(jīng)過N次級(jí)聯(lián)便能得到1（1-D）N倍電壓增益。但在開關(guān)應(yīng)力方面，各級(jí)二極管與開關(guān)管的電壓應(yīng)力為各級(jí)輸出電壓。因此，級(jí)聯(lián)型變換器電路中后級(jí)開關(guān)器件的電壓應(yīng)力高于前級(jí)，且隨串聯(lián)電路的增多，電壓應(yīng)力將更大。同時(shí)所需開關(guān)元件數(shù)量更多，電路的成本更高。同時(shí)在級(jí)聯(lián)電路中，電路的整體穩(wěn)定性受各級(jí)的共同影響，其中某一級(jí)的不穩(wěn)定都將造成整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此電路的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。另外，由于輸入側(cè)能量經(jīng)過多次變換，電路的整體效率降低。

1.2 三電平boost變換器

除了串聯(lián)的方式得到級(jí)聯(lián)型高增益變換器，在傳統(tǒng)Boost的基礎(chǔ)上，也可以通過并聯(lián)方式得到三電平Boost升壓變換器，其常見的拓?fù)潆娐啡鐖D5所示。

如圖5（a）所示，其電路中含有兩個(gè)開關(guān)管，采用交錯(cuò)并聯(lián)的方式導(dǎo)通。在一個(gè)連續(xù)穩(wěn)態(tài)周期內(nèi)，三電平Boost變換器的電壓增益為：

圖5 三電平Boost變換器Fig.5 Three-level Boost converter

因此，在相同占空比的情況下電壓增益為傳統(tǒng)boost變換器的兩倍。同時(shí)，在開光管應(yīng)力方面，在相同輸出電壓的情況下，其電壓應(yīng)力為輸出電壓的一半。所以，可以選擇低電壓應(yīng)力型器件，有利于減少電路開關(guān)損耗，從而提高電路的工作效率。

但與傳統(tǒng)Boost變換器相同，三電平變換器的最大增益由于受二極管與開關(guān)管的限制通常小于10，同時(shí)電路擴(kuò)展困難，因此限制了變換器的應(yīng)用范圍。

1.3 帶開關(guān)電容高增益變換器

除了運(yùn)用串并聯(lián)方式，也常利用儲(chǔ)能電容元件來(lái)實(shí)現(xiàn)高增益的目的。儲(chǔ)能電容兩端電壓不能突變的特性，可以將儲(chǔ)能電容等效為一個(gè)電壓源。在一個(gè)周期內(nèi)，若使電路中的電容處于并聯(lián)充電、串聯(lián)放電的狀態(tài)，則可以通過在電路中控制開關(guān)管的導(dǎo)通組合方式實(shí)現(xiàn)升壓的目的，如圖6所示。

圖6 帶開關(guān)電容工作原理圖Fig.6 Schematic diagram of switching capacitor principle

基于圖6所示原理，可以構(gòu)成帶開關(guān)電容的高增益變換器拓?fù)潆娐?，如圖7所示。

圖7（a）、圖7（b）中開關(guān)電容單元包括三個(gè)開關(guān)管與一個(gè)電容，圖7（c）中一個(gè)開關(guān)電容單元包括兩個(gè)開關(guān)管與一個(gè)二極管和一個(gè)電容。這四種電路中輸出電壓正比于電路中的開關(guān)電容單元，即：

但是，這幾種電路的缺點(diǎn)在于，為了提高功率等級(jí)，通常需要采用大容量的電解電容，增加了電路的體積；其次由于電解電容的壽命較低，一般在10 kh左右，影響了系統(tǒng)的整體壽命；同時(shí)隨著額定電流增大，電路的開關(guān)損耗與EMI問題嚴(yán)重。

為了克服這些問題，可以利用電路中分布式的寄生電感，與電容產(chǎn)生諧振，在保留原有開關(guān)變換器優(yōu)點(diǎn)的前提下還能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)ZCS（Zero-Current-Switching）目的。如圖7（d）所示。該電路不僅克服了使用大體積電容，而且效率高，功率密度也大不足之處是工作過程復(fù)雜，電路參數(shù)設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格。

圖7 幾種常見帶開關(guān)電容拓?fù)潆娐稦ig.7 Circuit of four kinds of switched-capacitor topologies

1.4 基于三端口的交錯(cuò)并聯(lián)型高增益變換器

除了傳統(tǒng)的2端口網(wǎng)絡(luò)模型，Boost變換器在結(jié)構(gòu)上可以看做一個(gè)由電感L、開關(guān)管S、與二極管D構(gòu)成的三端口網(wǎng)絡(luò)模型，如圖8（a）所示。

圖8（b）～圖8（d）所示為三端口網(wǎng)絡(luò)中引入合適極性的電壓源模型。根據(jù)伏秒平衡原理，當(dāng)電路工作與CCM模式且占空比D＞0.5時(shí)電壓增益Mb＞Mc＞Md，但在開關(guān)管電壓應(yīng)力方面，USc＜USb＜USd。因此綜合升壓與開關(guān)應(yīng)力問題，圖8（c）是一種最為理想的開關(guān)電壓三端口網(wǎng)絡(luò)。

圖8 三端口網(wǎng)絡(luò)拓展原理圖Fig.8 Principle diagram of high step-up three-terminal switch-inductor network

利用儲(chǔ)能電容代替受控電壓源，便可得到如圖9所示基于三端口網(wǎng)絡(luò)交錯(cuò)并聯(lián)型高增益變換器。

圖9 三端口網(wǎng)絡(luò)交錯(cuò)并聯(lián)型高增益拓?fù)銯ig.9 High gain topology based on three-terminal network crisscross in parallel

與傳統(tǒng)Boost變換器相比，圖9（a）、圖9（b）所示的交錯(cuò)并聯(lián)型高增益Boost變換器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）電壓增益為基本Boost變換器的兩倍或n倍（與電路中開關(guān)電容數(shù)成正比，M＝n／（1-D））；

（2）變換器可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流，有利于散熱設(shè)計(jì)，不需均流控制，控制電路簡(jiǎn)單；

（3）開關(guān)管的電壓應(yīng)力低，為輸出電壓的一半。

但兩種交錯(cuò)并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，不利于歸一化處理。針對(duì)這個(gè)問題，提出了圖9（c）所示對(duì)稱交錯(cuò)并聯(lián)型高增益變換器。其不僅保留了交錯(cuò)并聯(lián)電路的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)降低了串聯(lián)電容支路二極管電壓應(yīng)力。但三種電路都工作于硬開關(guān)狀態(tài)，電路損耗高。

為了使電路工作于軟開關(guān)狀態(tài)，提出了圖9（d）、圖9（e）所示軟開關(guān)交錯(cuò)并聯(lián)型高增益變換器。實(shí)現(xiàn)了電路的軟開關(guān)化，降低了開關(guān)損耗及電磁干擾，提高了電路的整體工作可靠性。

圖9（f）、圖9（g）為在單輸入交錯(cuò)并聯(lián)電路基礎(chǔ)上提出的多路輸入高增益變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其電路的輸出電壓為多路升壓電壓之和，即：

因此基于三端口的交錯(cuò)并聯(lián)型高增益變換器具有電壓增益高、自動(dòng)均流、電路拓展方便等優(yōu)點(diǎn)?？筛鶕?jù)輸入電源的情況靈活選擇電路結(jié)構(gòu)，非常適用于太陽(yáng)能光伏發(fā)電與燃料電池。

1.5 帶耦合電感的高增益Boost變換器

在高增益變換器拓?fù)潆娐分校死脙?chǔ)能電容，還可以利用電感的儲(chǔ)能特性來(lái)實(shí)現(xiàn)升壓的目的。因此便提出了帶耦合電感的高增益拓?fù)潆娐?。如圖10所示幾種帶耦合電感高增益Boost變換器。

在圖10（a）所示電路中，通過調(diào)節(jié)耦合電感原副邊電感的比值，可以輕易提高變換器電壓增益并降低開關(guān)管S的電壓應(yīng)力。但該電路存在兩個(gè)問題：一是耦合電感的漏感會(huì)帶來(lái)?yè)p耗、寄生振蕩和電磁干擾；二是電路中二極管電壓應(yīng)力較高，損耗較大。

為解決上訴問題，提出了圖10（b）所示帶緩沖電路耦合電感高增益變換器，該電路可以有效抑制漏感引起的尖峰電壓，輔助電容C1收集的能量通過電感L2輸送到輸出端。但電路中二極管D2串聯(lián)在耦合電感L1和L2之間，因此耦合電感的電流會(huì)經(jīng)過D2，帶來(lái)較大的導(dǎo)通損耗。圖10（c）所示電路僅通過一個(gè)輔助二極管即可將漏感的能量傳送至輸出端，但開關(guān)管的電壓應(yīng)力與基本Boost電路一致，失去了利用耦合電感帶來(lái)低電壓應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)。

圖10（d）、圖10（e）為帶耦合電感與吸收電路的高增益變換器。電路在保留耦合電感高增益變換器優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，其采用的二極管、電感、電容組成的無(wú)源吸收網(wǎng)絡(luò)，回收了電路中的漏感能量的同時(shí)抑制了開關(guān)管兩端的電壓尖峰，從而減小了開關(guān)管的電壓應(yīng)力。同時(shí)保持了輸入電流的連續(xù)性，從而減小了輸入濾波器的設(shè)計(jì)。

n為輸入電壓源數(shù)，當(dāng)輸入電壓相等且占空比相同則為單輸入交錯(cuò)并聯(lián)型高增益變換器，此時(shí)有：

圖10 帶耦合電感高增益boost變換器Fig.10 Coupled-inductor high gain boost converter

2 高增益DC-DC變換器性能對(duì)比

為了對(duì)各類變換器進(jìn)行比較，從而更深入的了解變換器各自的優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)假設(shè)輸入電壓為Uin，輸出電壓Uo，變壓器或耦合電感副邊與原邊匝比均為N＝NS:NP，拓展電路單元為n級(jí)，則各變換器的性能對(duì)比如表1所示。

由表中對(duì)比可知，基于二端口網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)型高增益變換器擴(kuò)展方便，其電壓增益與級(jí)數(shù)成正比，n級(jí)級(jí)聯(lián)電壓增益為1／（1-D）n。但在開關(guān)應(yīng)力方面，后端的開關(guān)管與二極管應(yīng)力高，因此整體效率與傳統(tǒng)Boost相比反而更低。

三電平高增益變換器的電壓增益為傳統(tǒng)Boost變換器2倍，且開關(guān)管與二極管電壓應(yīng)力低，為輸出電壓的0.5倍，損耗較小，但電路擴(kuò)展不方便。

帶開關(guān)電容高增益變換器電壓增益隨電路中開關(guān)電容單元增多而增加，且電路的拓展方便，通過引入寄生電感能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，適用于電池的充放電管理，缺點(diǎn)是開關(guān)器件多，電路成本高，控制復(fù)雜。

基于三端口網(wǎng)絡(luò)模型的交錯(cuò)并聯(lián)型高增益變換器，與傳統(tǒng)Boost變換器相比，當(dāng)單輸入時(shí)，電壓增益與開關(guān)電容單元成正比，若含n個(gè)開關(guān)電容單元，則電壓增益為傳統(tǒng)變換器的n倍，且電路的拓展方便。同時(shí)在開關(guān)應(yīng)力方面，具有n個(gè)開關(guān)單元的開關(guān)管電壓應(yīng)力為UO／（1+n），因此隨著單元增多，應(yīng)力減小，二極管開關(guān)應(yīng)力也相應(yīng)減小，從而提高了開關(guān)變換器效率。同時(shí)，通過拓展變換，可以靈活構(gòu)成多輸入單輸出拓?fù)潆娐罚渲饕_關(guān)管與二極管應(yīng)力與單輸入應(yīng)力相似，且由于是多輸入狀態(tài)，與前3類變換器相比，更適合光伏發(fā)電與燃料電池發(fā)電升壓模塊。

帶耦合電感高增益變換器的電壓增益可以通過調(diào)節(jié)原副邊電感比值靈活調(diào)節(jié)輸出電壓大小，且開關(guān)管與二極管應(yīng)力與傳統(tǒng)Boost相比更小，并采用RCD無(wú)源吸收電路很容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)工作。但耦合電感的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，電感體積較大，電路的控制設(shè)計(jì)也較為復(fù)雜，不利于在小功率場(chǎng)合使用。

表1 部分高增益DC-DC變換器性能比較Tab.1 Performance comparison of high gain DC-DC converters

3 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)非隔離型高增益DC-DC變換器進(jìn)行了綜述，通過分析電路拓?fù)錁?gòu)成原理將變換器分為了5大類，并對(duì)不同類型變換器詳細(xì)介紹了其構(gòu)成基本思路以及相應(yīng)的拓?fù)潆娐?。在此基礎(chǔ)上，給出了電路的n級(jí)或n單元拓展結(jié)構(gòu)。此外，介紹了變換器的工作特點(diǎn)，并對(duì)比了各類變換器的工作性能，總結(jié)了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。有利于結(jié)合實(shí)際使用情況選擇合理的高增益升壓變換器。