高升压Boost变换器的拓扑结构和理论分析

魏琳+唐玉光+杨志国

摘要：由于高升压Boost变换器被广泛用于可再生能源发电系统中，因此本丈针对常用的三类高升压Boost变换器从控制的角度进行了分析研究。首先研究了变换器的平均模型和系统的小信号模型，然后得到输出电压与占空比的传递函数。通过对三类Boost变换器的传递函数进行分析和研究可知，混合型的Boost变换器具有比较好的特性，控制方式简单，而其它Boost变换器为非最小相位系统，需要采用双环控制来调节输出电压，控制方式比较复杂。

【关键词】高升压Boost 变换器 传统Boost变换器 抽头Boost 变换器 混合型Boost 变换器 传递函数

近年来，随着能源需求的增多和自然资源的缺乏（如煤，石油，天然气等），人类开始寻找其它可以代替自然资源的新能源，如太阳能、风能等其它可再生能源。电力电子技术的发展促进了这些新型能源的高效利用，而DC/DC变换器就是其中的核心部件之一。由于可再生能源如太阳能电池板输出的电压一般很低（12V到50v），而通常所需要的电压却远远大于它，传统的Boost变换器已经不能满足要求。因此如何提高升压比、减少开关器件的电压和电流应力已经成为高升压Boost变换器的主要研究热点。

虽然已经有很多文献对高升压Boost变换器进行了研究，通过使用耦合电感的方法、采用Boost变换器级联的方法、交错式电感的方法等等来提高升压比，但是无论采用哪种方法，他们的控制策略都比较复杂，而且也鲜有文献从控制学的角度对其进行理论分析和研究。鉴于此，本文根据常用的高升压Boost变换器的平均模型，推导出小信号模型，最终得到电感电流与占空比和输出电压与占空比之问的传递函数，从控制学的角度对比分析了几种常用的高升压Boost变换器的特点。

1 Boost变换器的拓扑结构

高升压Boost变换器的拓扑结构主要有三类，第一类是如图1所示的交错式工作的Boost变换器，这种拓扑与传统的Boost变换器类似；第二类是如图2所示的带有磁耦合线圈的Boost变换器，高频下磁损耗较高：第三类是如图3所示的混合型Boost变换器，没有变压器。

2 Boost变换器的理论分析

本文将对传统Boost变换器、抽头Boost变换器（图2）和混合型DC/DC Boost变换器（图3）进行分析，其中以传统的变换器作为基准，另外两种拓扑结构的变换器分别作为该类别的代表。三种变换器的小信号模型均是基于状态空问平均模型而得到的。

2.1 传统的Boost变换器

传统的Boost变换器的拓扑结构是最基础的，它包括开关器件、二极管、电容器、电感和负载，它的平均模型如式（1）所示：

根据式（3）可以看出，与输出电压相关的传递函数在复平而的右半平而有一个零点（非最小相位系统），因此直接控制换流器的输出电压将会比较复杂。而根据式（4）可以看出，与输入电流相关传递函数在右半平而没有零点，因此可以考虑间接的控制输入电流，但是为了获得快速的动态响应必须采用双环控制策略。

而Boost换流器的升压系数为：

这只是一个理想的升压系数，当占空比高于0.8的时候，實际的升压系数将会减少，因此其升压能力受到了限制。

2.2 抽头Boost变换器

抽头Boost变换器与传统Boost变换器的运行模式相似，根据开关器件的导通与关断，其运行模式分为两个回路：

（1）开关器件导通：因为磁性元件的电压极性，二极管并未导通，磁性元件通过Ll充电（如图4 （a）所示）；

（2）开关器件关断：二极管导通，磁性元件通过等效电感Ll和L2放电（如图4（b）所示）。

这种Boost变换器的升压能力与磁性元件的放电过程有关，也就是说与等效电感值L₁

由式（16）和（17）可知，与输出电压相关的传递函数在复平而的右半平而也有一个零点（非最小相位系统），因此它与传统Boost变换器一样，需要采用双环控制来调节输出电压。

2.3 混合型Boost变换器

混合型Boost变换器比传统的变换器多了二极管和电容器，但是没有耦合电感器。同样，它也有两种运行模式。

（1）开关器件导通（如图5（a））：由于电压的极性，二极管未导通，电路对磁性元件充电，电路中问两个电容器串联提供输出电压。

（2）开关器件关断（如图5（b））：二极管导通，磁性元件开始放电，电路中问的电容并联提供输出电压。

当开关器件导通时，其电路方程为：

由式（23）可知，与输出电压相关的传递函数的系数为正，在这种情况下，虽然变换器在复平面的右半平面有零点，但是这并不影响传递函数，因此该拓扑结构的变换器的控制效果比较好。

2.4 三类Boost变换器的比较

传统Boost变换器的优点就是拓扑结构简单，但是当需要高升压比时，其效率就会降低。而且由于该系统是一个非最小相位系统，因此该系统的控制比较复杂，需要采用双环控制来获得比较好的控制效果。

相比于传统Boost变换器，抽头Boost变换器在升压能力和效率上有明显提高，但是由于在复平面的右半平面也有零点。因此，从控制的角度上来讲，与传统Boost变换器具有相同的问题。因为输入电流并不是连续的（实际上是斩波电流），所以采用双环控制来调节输出电压是比较复杂的。

混合型Boost变换器同样具有很高的升压能力，但是需要更多的器件。根据系统的传递函数可知，控制器仅采用一个环路就可以调节输出电压，而且具有比较好的动态响应。

3 结论

将高升压比的Boost变换器用于可再生能源发电系统中，需要考虑变换器的升压能力和效率。本文从控制的角度分析了三类DC/DC变换器：传统的Boost变换器、抽头Boost变换器和混合型Boost变换器。根据小信号模型得到各类变换器输出电压与占空比的传递函数，对三类变换器进行对比分析可知混合型Boost变换器的特性比较好，因此动态响应相对来说也不错，而其它的变换器为非最小相位系统，需要采用双环控制来调节输出电压，控制比较复杂。

参考文献

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