带开关电容网络的交错并联高增益Boost变换器

陆治国 郑路遥 马召鼎 刘捷丰 秦煜森

（重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 重庆 400044）

1 引言

面对日益严峻的能源危机和环境污染问题，寻找新能源来替代日益枯竭的化石能源已成为当务之急。在新能源领域中，光伏发电、风力发电和燃料电池发电是主要的研究方向[1-3]。氢能因其具有清洁、高效及充足等优势而得到重视，并且已有很多实际的应用。燃料电池具有输出电压低，输出电流大的特性，因此为了正常使用燃料电池，需要在燃料电池和负载之间加入一级升压变换器[4]。

燃料电池应用在较大功率场合时，传统 Boost变换器存在许多缺陷：由于输入电流较大，在磁性元件设计时，电感磁心和线圈绕线的设计比较困难；同时，传统Boost变换器较大的输入电流纹波降低了燃料电池的使用寿命[5-11]。所以在较大功率场合，大多使用多个模块并联的方式。其中交错并联是一种最常用的方式。

使用交错并联具有如下优势[12,13]：各相电感电流纹波相互抵消，可以减小输入电流纹波；输出功率平均分配到各个变换通道中，增加变换器的功率等级，改善了散热；减小了输入噪声。但由于其电压增益和传统单相 Boost变换器是相同的，增益较低，而且其开关器件的电压应力高。因此它不适宜应用于低压输入、高压输出的场合。

针对传统交错并联Boost变换器的缺陷，本文提出了一种新颖的升压变换器——带开关电容网络的交错并联高增益 Boost变换器。与传统两相交错并联Boost变换器相比较，新拓扑不仅能在相同的占空比下实现更高的电压增益，而且还大大降低了开关器件的电压应力，同时输入电流纹波也很小。

2 工作原理

带开关电容网络的交错并联高增益Boost变换器的拓扑结构如图 1所示，在传统两相交错并联Boost变换器的基础上增加了一个二极管 VD1和两个开关电容C1、C2，并进行改进（见图1中线框），所以称其为带开关电容网络的交错并联高增益Boost变换器。

图1 带开关电容网络的交错并联高增益Boost变换器Fig.1 Interleaved high gain Boost converter with switched capacitor network

在分析新拓扑工作原理时，假设所有功率开关器件为理想器件，采用交错并联控制策略，开关管S1和S2的占空比D相同，S1和S2交错180°工作。

当交错并联的电感工作在电流连续模式 (CCM)，由于新拓扑工作在0＜D＜0.5和0.5≤D＜1时，开关模态有所差别，以下分别加以讨论。

2.1 0＜D＜0.5

在1个开关周期Ts内新拓扑有4种开关模态，分别称为模态1、模态2、模态3、模态4，其开关模态特征表见表1。模态1～模态3的等效电路如图 2a～图2c所示，模态4的等效电路与模态2相同。

表1 0＜D＜0.5时的开关模态特征表Tab.1 States of switch at 0＜D＜0.5

图2 0＜D＜0.5时各模态的等效电路Fig.2 Equivalent circuit of each mode at 0＜D＜0.5

模态 1：开关管 S1导通、S2断开。电路中有 3个回路。回路1由电源Vg、电感L1和开关S1构成，电感L1电流iL1上升。回路2由电源Vg、电感L2、电容 C2、二极管 VD2、电容 C1和开关 S1构成，电感L2的电流iL2下降，电容C2放电，电压vC2下降，电容C1充电，电压vC1上升。回路3的负载由电容Co供电。

其他模态的分析方法与模态1分析类似。由各模态的等效电路可以得到状态方程。其中，模态 1中

根据这4种开关模态的状态方程，可以得到一个开关周期Ts中的主要工作波形，如图3所示。

图3 0＜D＜0.5时新拓扑的主要工作波形Fig.3 Key operation waveforms of the new topology at 0＜D＜0.5

2.2 0.5≤D＜1

当占空比大于等于0.5时，1个工作周期同样可以分为4个开关模态。其开关模态特征表见表2，各模态的等效电路如图4所示，模态3的等效电路与模态1相同。

表2 0.5≤D＜1时的开关模态特征表Tab.2 States of switch at 0.5≤D＜1

图4 0.5≤D＜1时各模态的等效电路Fig.4 Equivalent circuit of each mode at 0.5≤D＜1

模态 1：开关管 S1、S2导通。电路中电流有 3个回路。回路1由电源Vg、电感L1和开关S1构成，电感 L1电流 iL1上升。回路 2由电源 Vg、电感 L2和开关S2构成，电感L2的电流iL2上升，电容C1、C2上的电压保持不变。回路 3，负载由电容 Co供电。

0.5 ≤D＜1时，其他模态的分析方法与模态 1分析类似。采用同样的方法，可以列出状态方程，得到一个开关周期 Ts中拓扑的主要工作波形，如图5所示。

图5 0.5≤D＜1时新拓扑的主要工作波形Fig.5 Key operation waveforms of the new topology at 0.5≤D＜1

3 稳态工作性能分析

3.1 稳态电压增益

基于拓扑在0＜D＜0.5下的工作原理，做小纹波近似，稳态时忽略电感电流、电容电压纹波和开关占空比扰动，可以得到下面稳态关系式：

由式（5）可见电容 C1上的电压 VC1与输入电压Vg的关系为1/(1-D)2；电容C2上的电压VC2与输入电压Vg的关系为1/(1-D)。由式（6）可知，输出电压是输入电压的 (2-D)/(1-D)2倍，可见两电容C1、C2的加入提升了输出电压。

同理，可得0.5≤D＜1时

由式（7）可以看出在一个周期内，电容 C1上的电压是电容 C2上电压的两倍，输出电压是电容C2上电压的 3倍。由式（8）得出，输出电压是输入电压的3/(1－D)。

图6给出了新拓扑与传统两相交错并联拓扑的电压增益对比曲线（曲线A为新拓扑，曲线B为传统两相交错并联拓扑）。由分析可得到新拓扑以占空比0.5为分界点（如实线网格线所示），输入输出增益关系式是不同的。由图6可以看出，当占空比在0.5～0.8时，新拓扑的增益为6～15，特别符合燃料电池大部分应用场合所需要的电压增益。

图6 新拓扑电压增益（曲线A）与传统两相交错并联拓扑电压增益（曲线B）的比较Fig.6 Comparison of the voltage gain between the new topology (line A)and the traditional two phase interleaved topology (line B)

3.2 开关器件的电压应力

表3给出了新拓扑在两种不同占空比情况下，开关管和二极管的最大电压应力，为便于比较还列出了传统两相交错并联Boost变换器相应的应力。

表3 新拓扑与传统两相交错并联拓扑对比Tab.3 The comparison between the new topology and the traditional topology

由表 3可以看出，新拓扑在占空比 0.5≤D＜1时，开关管S1、S2和二极管VD3的电压应力仅为输出电压的1/3，二极管VD1、VD2的最大电压应力为输出电压的 2/3，从而可以选择低耐压值低导通电阻的开关管和二极管，电压应力的降低同时也减少了器件在导通和关断时的开关损耗；新拓扑在占空比0＜D＜0.5时，开关管和二极管的电压应力相比于传统两相交错并联Boost也是有所降低的，但是在占空比0.5≤D＜1时具有更为明显的优势。

3.3 升压电感与输入电流的电流纹波

根据图4的0.5≤D＜1各模态等效电路分析可知，当变换器中两升压电感值相等，即L1=L2=L时，每个升压电感的电流纹波的峰峰值是相等的。

由于交错并联结构的引入，变换器输入电流为两个升压电感电流之和，输入电流纹波可表述为

式（10）与传统两相交错并联 Boost变换器输入电流纹波公式相同。随着交错并联结构的引入，新拓扑保留了传统两相交错并联 Boost变换器的优点。

4 实验验证

为了验证理论分析的正确性，对新拓扑进行实验研究，实验参数如下：Vg=24V，Po=140W，Vo=200V，fs=100kHz，L1=L2=400μH，C1=10μF，C2=100μF，Co=22μF。主开关管 S1、S2选用 IRF540，二极管 VD1、VD2选用 MBR20200，VD3选用MBR20100。在实际应用中，新拓扑适宜工作在0.5≤D＜1。图7为新拓扑工作在0.5≤D＜1时的实验波形。

图7 实验波形Fig.7 Experimental waveforms

图7a为开关S1和S2的电压应力波形。从图中可见，开关管S1漏源极间的电压，约为67V，是输出电压的1/3；开关管S2与S1的电压应力相等，都仅为输出电压的1/3。

图7b与图7c给出了三个二极管的电压应力波形。其中图7b为二极管VD1、VD2的电压应力波形，两个二极管的电压应力呈阶梯状，其电压在136V、67V和0V之间变换，最大电压应力（约为136V）大约是输出电压的2/3；图7c为输出二极管VD3的电压应力波形，可见输出二极管VD3的最大电压应力约为67V，大约是输出电压的1/3。

由于开关电容具有提升电压的作用，其上的电压必须稳定，图7d为开关电容C1的波形，由波形可以看出电容 C1上的电压平均值约为 136V，是输出电压的2/3。并且其波形形状与分析的一致。

图7e是升压电感 L1、L2的电流纹波波形的比较，可见两个升压电感的电流纹波峰峰值相等，约为1A。图7f是输入电流波形，电流纹波峰峰值约为0.45A。比较图7e和图7f可知，交错并联的引入，输入电流的纹波峰峰值比电感电流纹波要小得多。

实验结果与理论分析一致。

5 结论

本文提出了一种新颖的升压变换器——带开关电容网络的交错并联高增益 Boost变换器，相比传统两相交错并联Boost变换器，理论分析和实验结果都表明，新拓扑具有下列优点。

（1）在相同占空比下电压增益高，非常适合应用于低压输入、高压输出的场合。

（2）开关器件的电压应力低。特别是0.5≤D＜1时，新拓扑大部分开关器件的电压应力只有输出电压的1/3。

（3）保持了传统两相交错并联Boost变换器输入电流纹波小的优点，适用于大功率应用场合。

[1]BP statistical review of word energy[R].Geneva BP,2005, 6.

[2]赵为.太阳能光伏并网发电系统的研究[D].合肥:合肥工业大学, 2003.

[3]李瑛, 王林山.燃料电池[M].北京: 冶金工业出版社, 2005.

[4]裘圣琳.燃料电池发电系统前端 DC-DC变换器的研究[D].浙江: 浙江大学, 2006.

[5]Pan Chingtsai, Lai Chingming.A high efficiency high step-up converter with low switch voltage stress for fuel cell system applications[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics , 2010, 57(6): 1998-2006.

[6]Palma L, Todorovic M H, Enjeti P.A high gain Transformer-less DC-DC converter for fuel-cell applications[C].Power Electronics Specialists Conference 2005.2514-2520.

[7]Yang Lungsheng, Liang Tsorngjuu, Chen Jiannfuh.Transformerless DC-DC converters with high step-up voltage gain[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(8): 3144-3152.

[8]Thounthong P, Sethakul P, Davit B.Modified 4 phase interleaved fuel cell converter for high-power high-voltage applications[C].IEEE International Conference on Industrial Technology, 2009: 1-6.

[9]Huang B, Sadli I, Martin J P, et al.Design of a high power high step-up non-isolated DC-DC converter for fuel cell applications[C].IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, 2006: 1-6.

[10]Jung Min Kwon, Eung Ho Kim, Bong Hwan Kwon, et al.High-efficiency fuel cell power conditioning system with input current ripple reduction[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(3):826-834.

[11]De Caro S, Testa A, Triolo D, et al.Low input current ripple converters for fuel cell power units[C].European Conference on Power Electronics and Applications, 2005: 1-10.

[12]姚刚, 沈燕群, 李武华, 等.一种新型的有源交错联 Boost软开关电路[J].中国电机工程学报.2005,25(10): 65-69.Yao Gang, Shen Yanqun, Li Wuhua, et al.A new soft switching circuit for the interleaved boost converters[J].Proceedings of CSEE, 2005, 25(10): 65-69.

[13]Yaoching Hsieh, Techin Hsueh, Hauchen Yen.An interleaved Boost converter with zero-voltage transition[J].IEEE Tansactions on Power Electronics,2009, 24(4): 973-978.