基于开关电容的三端口DC-DC变换器

马圣全，潘庭龙

（江南大学物联网工程学院，无锡 214122）

基于开关电容的三端口DC-DC变换器

马圣全，潘庭龙

（江南大学物联网工程学院，无锡 214122）

三端口直流变换器（TPC）应用于新能源供电系统与电动汽车供电系统，可将系统中原有的多个单向和双向直流变换器在电路结构上实现合并，具有结构简单、成本低、控制灵活等优点。根据TPC的分类和组成规则构建一族含有开关电容、自举电路、BUCK、BOOST电路的高压比三端口直流变换器。形成的新型三端口变换器具有压比高、结构灵活、调压范围广等特点，可以很好地应用在新能源发电应用系统中。最后对提出的新拓扑进行理论分析和实验验证。

三端口；开关电容；自举电路；高压比；BUCK、BOOST电路

引言

能源危机和环境污染问题日益严重，太阳能、风能等新能源发电技术正成为研究的热点［1-3］。太阳能、风能等新能源发电系统存在电力供应不稳定、不连续和随环境条件变化等缺点，独立运行的新能源发电系统必须配备蓄电池等储能环节来储存和调节电能，以满足用电负载对供电连续性和平稳性的要求。

典型的包含储能环节的新能源独立发电系统由单向DC/DC、双向DC/DC变换器和变压器构成，其变换器分散控制，体积重量大；系统中存在多级功率变换，效率较低［4］。三端口变换器TPC（three-port DC/DC converter）是随着新能源发电技术的发展而提出的一类新型变换器，通过一个变换器可以同时实现输入源、蓄电池和负载的功率管理和控制，具有高集成度、高效率、高可靠性、低体积成本等优点。TPC的概念从提出至今获得了国内外学者的极大关注，通过对其拓扑、调制和功率管理等关键技术进行研究［5-6］，将其应用于燃料电池发电系统、独立光伏发电系统、混合储能系统、混合动力汽和航天卫星供电系统等领域。TPC拓扑可分为隔离型和非隔型离两类，隔离型可实现高压比电压变换，但是体积大、效率低、电磁干扰严重；非隔离TPC由于拓扑结构简单、无需使用变压器、变换效率高等特点而更具有优势［7-8］，但是一般电压变换比较低，在当前新能源供电系统中隔离型TPC应用较为广泛。

本文提出的基本开关电容的三端口DC/DC变换器为非隔离型TPC，具有高压比变换特点，可以很好地应用到新能源供电系统中。开关电容和自举电路都是可实现高压比变换的非隔离型电路，具有集成度高、电磁干扰小、效率高的优点［9］。本文根据三端口DC/DC变换器组成规则提出将开关电容和自举电路融入非隔离型三端口DC/DC变换器中，构成一族可实现高压比变换、大范围调压的非隔离型三端口DC/DC变换器。形成的新型三端口直流变换器具有端口独立性高、电路利用效率高、压比高、结构灵活、调压范围广等优点。

1 新型三端口DC-DC变换器拓扑

1.1 基本拓扑

自举电路和开关电容升压电路都是通过对电感或电容并联充电串联放电来达到升压目的，根据电感和电容的充放电规则，每一个或几个相邻的元件可以作为一个端口来工作，来形成三端口变换电路。

根据三端口DC/DC变换器的构成规则，构成如图1所示的三端口DC/DC变换器。图1中电容C2和电感L2两个元件并联充电、串联放电构成一个自举升压电路，蓄电池UB和主电源UA作为一个输入端口，R0为输出端。

图1 新型三端口DC-DC变换器拓扑Fig.1 New three-prot DC-DC converter topology

输入端UA为主电源，UB为蓄电池，且电压UA＞UB，负载R0为输出端。电路分为5种工作模式：

①主电源单独对负载供电；②蓄电池单独对负载供电；③主电源和蓄电池共同对负载供电；④主电源对蓄电池和负载供电；⑤主电源对蓄电池供电。

模式1：

主电源单独对负载供电电路如图2所示，图中开关S1导通后一直处于闭合状态，直到工作结束。因为UA＞UB，二极管D2、D4处于反向截止状态。当开关S3导通时，主电源UA对电容C2、电感L2并联充电，忽略二极管压降则有

图2 工作模式1Fig.2 Working mode 1

电感L3的作用是只是防止电容C2瞬间充电电流过大，进而减小开关S3瞬间导通电流，所以电感L3非常小，根据电感伏秒平衡原理可知，电容C2最终充电电压受电感L3的影响很小。设开关周期为T，占空比为k，在kT时刻，开关S3由开通转向关断，电容充电后电压UC2约为UA。在（1-k）T时间内，主电源UA、C2、L2三者串联对负载供电，则输出电压U0为

可得输出电压为

拓扑嵌入开关电容电路可以提高C2、L2的充电电压，并进一步提高变压比，在下文中我们将讨论到。

模式2：

蓄电池UB单独对负载供电电路如图3所示，开关S1一直处于断开状态。在开关S3导通时间段kT内，蓄电池UB对电容C2、L2并联充电；在开关S3断开时间段（1-k）T内，蓄电池UB、C2、L2三者串联对负载供电。

图3 工作模式2Fig.3 Working mode 2

根据模式（1）推导可知，忽略二极管导通压降和元件内阻，理想情况下输出电压为

蓄电池电压UB略小于主电源电压UA，所以调整占空比k的大小即可满足负载电压需求。

模式3：

在新能源发电应用系统中，随着环境变化，当主电源输出功率不能持续满足负载需求时，需要主电源和蓄电池共同对负载供电，如图4所示，分为2种供电方法。

图4 工作模式3Fig.4 Working mode 3

方法1：开关S1、S3同时导通和关断。在开关S1、S3同时导通时间段kT内，主电源UA对电容C2和电感L2充电，蓄电池UB不工作；在开关S1、S3同时关断时间段（1-k）T内，蓄电池UB、串联电容C2和电感L2对C3和负载Ro供电，主电源UA不工作。理想情况下，输出电压为

根据模式1相关推理，可得输出电压和功率分别为

则主电源和蓄电池之间能量分配PA/PB为

方法2：开关S1导通时S3关断，开关S1关断时S3导通。开关S3导通时间段kT内，蓄电池UB对电容C2和电感L2充电，主电源不工作；开关S1导通时间段 （1-k）T内，主电源UA串联电容C2和电感L2对C3和负载供电，蓄电池不工作。根据式（9）、式（10）可得

由式（10）、式（12）可知，模式3的2种工作方法均为主电源和蓄电池共同对负载供电。理想情况下，方法1中主电源供电功率大于蓄电池；方法2中蓄电池供电功率大于主电源，可根据实际情况需要选择合适工作方法。无论选择哪一种工作方法，只需改变开关管的控制方法即可，硬件电路结构无需变动，电路利用率和灵活性较高，同时在一定程度上提高了电路集成度。

模式4：

当主电源输出功率大于负载所需功率时，主电源可以同时对负载和蓄电池供电，主电源对负载供电与模式1相同，主电源对蓄电池充电如图5所示。当主电源电压略大于蓄电池电压时，图5电路为BUCK降压电路，通过调节开关S2的占空比来调节蓄电池的充电电压。

图5 工作模式4Fig.5 Working mode 4

模式5：

新能源发电系统中，当主电源无需对负载供电时，为了合理利用能源，主电源发出的电能用来对蓄电池充电，充电电路如图5所示。

1.2 延伸拓扑

把图1中三端口变换器的主电源和蓄电池作为嵌入端口，嵌入两阶谐振开关电容电路，形成的拓展三端口变换器如图6所示。拓展三端口变换器具有更高升压比和更宽的调压范围，图6中虚线方框内的电路是变形的两阶谐振开关电容电路，也可以嵌入三阶谐振开关电容电路，甚至更高阶的开关电容电路。

图6 拓展三端口变换器Fig.6 Exponded three-port converter

两阶和三阶开关电容谐振电路如图7所示，去掉其中的谐振电感即为普通开关电容电路。延伸拓扑采用谐振开关电容电路是因为谐振电路可实现开关管零电流通断，提高变换器效率和性能［10］。

图7 多阶开关电容电路Fig.7 Multistage switched capacitor circuit

延伸拓扑工作在模式1时，主电源UA单独对负载R0供电。开关S1处于闭合状态，S2、S5、S6一直处于断开状态。在开关S4、S7导通时间段kT内，主电源UA对电容C2充电，电容C3对C6、L4并联充电；当开关S4、S7关断时，在S3导通时间段（1-k）T内，主电源UA串联电容C2对电容C3充电，电容C3串联L4、C6对C7、R0供电。仿真电路工作电流如图8所示。

根据前文分析和电感伏秒平衡原理，由图8可见，电感L5对电容C6充电后的电压影响不大。输入电压为40 V，电容C6充电后的电压约为40.5 V；开关S7导通瞬间电流较为理想。

根据式（5）和开关电容谐振电路工作特性［11］，在理想情况下，模式1的输出电压为

图8 仿真电路工作波形Fig.8 Waveforms of simulation circuit

工作在模式2时，蓄电池UB单独对负载R0供电。开关S1、S2、S3、S4处于断开状态，开关S5、S6、S7闭合工作。分析同模式1，可得输出电压为

工作在模式3时，主电源UA和蓄电池UB共同对负载R0供电，工作方式同图1所示的电路工作模式3。工作在方法1时，开关S1、S7同时通断，其余开关正常工作。根据前文分析，可得该电路工作在模式3方法1时的输出电压为

工作在方法2时，开关S1、S7交替通断，其余开关正常工作，则输出电压为

工作在模式4时，主电源UA同时对蓄电池UB和负载R0供电。工作在模式5时，主电源UA只对蓄电池UB充电。图6的电路中，主电源UA对蓄电池UB充电电路与图5相同，前文已分析，不再讨论。

对比图1和图6所示三端口变换器各个模式工作特性可知，拓展变换器具有更高的变压比和更好的调压特性，同时也反应出该三端口变换器电路结构的灵活性。把图1所示的三端口变换器拓扑作为基础拓扑，不仅可以嵌入如图7所示的二、三阶开关电容电路，还可以嵌入更高阶开关电容电路，形成更高压比和更大调压范围的三端口变换器。

2 变换器效率

图1中电感L2和图6中电感L4的工作电路与BOOST电路基本相同，根据文献 ［12，13］可知BOOST电路工作效率较高，大于80%。本文所提出的变换器中，电感L2、L4用于精确调节电压，其工作占空比为［0.3～0.7］，避免使用极端占空比，电路工作在理想状态。

本文提出的三端口变换器电路中含有大量的开关电容电路，开关电容电路工作效率与电容的充放电效率密切相关，首先分析电容的充电效率。令电容C从t0时刻开始充电，t1时刻充电结束，通过推理分析和计算可以得到电容充电效率η为

由式（17）可以得出，电容的充电效率与串联电阻的大小没有关系，也与电压的充电过程无关。当电容充电的末态电压恒定时，电容上的电压变化越大时，电容充电的效率越低。

从整体来考虑，开关电容的工作效率为

式中：M为电压变比，M＝U0/US；K为本征电压变比，K＝Qi/Q0。

理想情况下效率η为1，即M＝K。但通常η＜1，即M＜K。电路拓扑一定时，尽量提高输出电压来增大变压比M，从而提高电路效率。开关电容电路效率也可表示为

式中：U0为输出电压，UG为理论计算理想输出电压。由式（18）、式（19）可知，电路中等效电阻、二极管均会造成一定的压降，降低电路整体效率。电路压降一定时，提高输入电压可在一定程度上提高电路效率。

传统两阶开关电容电路如图9所示，与图7（a）的区别在于图9为非谐振开关电容电路，图7（a）为谐振开关电容电路。根据文献［11］可知，谐振开关电容电路效率要高于传统开关电容电路效率，所以本文延伸拓扑中采用谐振开关电容电路；另一方面因为谐振开关电容电路开关电流以及电容充电电流波动小于传统开关电容电路，进一步降低了电路的电磁干扰。

图9 传统两阶开关电容电路Fig.9 Traditional two order switched capacitor circuit

由于在实际电路中电容和电感值不能无限大，可根据需要选择合适的电容和电感。为了提高电路效率，应尽量减小电容电压波动，可在一定范围内增大电容值C，也可尽量提高电路工作频率f，即

3 实验分析

为了验证理论分析的正确性，对如图1所示的新拓扑进行实验验证研究，实验参数如下：输入电压 UA＝6 V，UB＝5 V，C2＝50 μF，C1＝C3＝200 μF，L1＝L2＝0.3 mH，L3＝0.01 mH。NE555PWM发生器产生PWM控制波形，开关频率fs＝10 kHz，开关管S1、S2和S3选用IRF3205，二极管全部选用IN5339。

利用NE555PWM发生器和IRF3205产生10 kHz控制开关管的PWM波形如图10所示。

图10 PWM波形Fig.10 PWM woreforms

电路工作在模式1～4时，主电源UA或蓄电池UB工作过程中会对电容C2进行周期性充电，然后电容C2周期性放电。图11（a）为不加电感L3时电容C2两端电压波形，由图可知开关S3瞬间导通电流很大；图11（b）为加入电感L3时电容C2两端电压波形，由图可知开关S3瞬间导通电流得到了控制，效果比较理想。

图11 开关电容波形Fig.11 Waveforms of switched capacitor

电路工作在模式1～4时，针对不同负载根据式（5）、式（6）、式（8）、式（11）调节占空比D，可以在一定范围内进行精确调压，如图12所示。由图中的PWM波形可以看出，调节占空比可以改变了输出电压，调压过程类似BOOST电路调压，占空比D值越大，输出电压越高；在调整占空比调节输出电压的过程中，电容可以实现正常的充放电状态，保证了电路的工作特性，与理论相吻合。

输出电压的连续调节特性如图13所示，由图可以看出，占空比D以0.5为中心，左右调节可以在一定范围内精确调压，与普通BOOST电路相比，该变换器具有更高的变压比和同样的精确调压特性。

图12 输出电压与占空比D的关系Fig.12 Relationship between output voltage and duty ratio D

图13 输出电压连续调节特性Fig.13 Continuous regulation characteristics of output voltage

电路工作在模式3时，由主电源UA和蓄电池UB共同为负载供电，其电压UA、UB如图14所示，UA＝6 V，UB＝5 V。其输出电压特性如图15所示，连续调节占空比D可实现输出电压的持续调节。由图14、图15可见两个端口同时工作时，端口之间互不影响，显示出电路良好的工作特性。

图14 输入电压波形Fig.14 Input voltage waveforms

图15 输出电压连续调节特性Fig.15 Continuous regulation characteristics of output voltage

本文提出的三端口直流变换电路由自举电路、开关电容电路组合而成，其工作效率如图16所示。因为电路元件本身存在一定能耗和压降，所以产生一些固定的损耗。由式（18）、式（19）可知，输入电压较低时必然会导致效率相对较低，在一定范围内逐渐提高输入电压，变换器效率增高也会相应增高。

图16 电路工作效率Fig.16 Circuit working efficiency

整体来看，本文提出的基于开关电容的三端口变换器DC/DC为非隔离型电路，工作效率接近90%，继承了非隔离型电路效率高的优势。该变换器与隔离型变换器都具有较高的变压比和较大的调压范围，并且效率略高于隔离型变换器。

4 结论

本文针对目前新能源发电系统电能变换需求，结合开关电容和自举电路的特点，提出一族三端口DC/DC变换电路。理论与实验证明，该新型三端口DC/DC变换电路具有以下特点：

（1）新型三端口DC/DC变换电路属于非隔离型电路，保证了电路工作效率，引入升压型开关电容电路，提高了非隔离型电路的变压比；

（2）引入自举电路，可及时调整输出电压，保证输出电压的稳定性，精确调压且调压范围广；

（3）端口之间工作互不影响，端口之间能量分配简单易行；

（4）电路利用率较高，闲置电路少；

（5）电路结构灵活，根据实际情况需要，嵌入适当阶数的开关电容电路，便可改变输出电压范围。

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Three Port DC-DC Converter Based on Switched Capacitor

MA Shengquan，PAN Tinglong
（School of Internet of Things，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

Three-port DC/DC converter（TPC）can be applied in renewable power systems and electric vehicle power systems.Three-port DC/DC converter is consisted of uni-directional DC/DC converter and bidirectional DC/DC converter，and has the advantages such as simple structure，lower cost and more flexible control.This paper proposes a family of high transformer ratio three-port DC-DC converter according to TPC classification and composition rules.The new three-port DC/DC converter is consisted of switched capacitor circuit，bootstrap circuit，BUCK and BOOST circuit.The new converter has the advantages such as high transformer ratio，flexible structure and wide range of voltage regulation，etc.It can be well applied in the new energy power generation system.Finally，experimental results vertify the analysis of the new topology.

three-port；switched capacitor；bootstrap circuit；high transformer ratio；BUCK，BOOST circuit

马圣全

马圣全（1991-）通信作者，男，硕士研究生，研究方向：电力电子与电力传动，E-mail：shengquan1991@126.com；

潘庭龙（1976-），男，博士，教授，硕士生导师，主要从事新能源控制技术、功率变换技术等方面的研究和运动控制等方面的教学工作，E-mail：tlpan@jiangnan.edu.cn。

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.1.48

：TM 133

：A

2014-09-05

江苏省自然科学基金项目（BK2012550）；江苏省高校科研成果产业化推进项目（1256010241120850）

Project supported by The natural Science Foundation of Jiangsu Province（BK2012550）；Jiangsu Scientific Research Achievements in Industrialization Project（12560 10241120850）