一种低输入纹波双开关高增益变换器

张宇辰，汤 雨，凌跃胜

(1.河北工业大学电气工程学院省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室，天津 300130；2.河北工业大学电气工程学院河北省电磁场与电器可靠性重点实验室，天津 300130)

在可再生能源中，太阳能、氢能的主要利用方式为光伏发电和燃料电池发电，具有可再生、经济环保、可以为偏远地区提供电能等优点。但是在并网发电系统中，光伏、燃料电池的输出电压与并网发电系统中所需的直流电压相差很大，因此，实现高增益、高效电能变换的直流升压变换器是当前研究重点。

隔离型升压变换器[1]通过调节原副边线圈的匝数比来调整电压增益，获得较高的输出电压，但是由于匝数比的增大使得原副边线圈的耦合性低，变换器的漏感较大，从而造成输入电流的纹波较大、变换器的效率低等问题。在非隔离型变换器中，如果采用传统Boost 变换器[2]，在理论分析中通过将占空比提高至接近于1 时，可以获得极高的电压增益，但在实际中，当占空比大于一定的数值后，由于电感器、电容器中内阻以及开关管寄生参数的影响，造成较大的电感电流纹波、开关管关断电流以及二极管的电压应力等问题，变换器的效率降低，不能实现变换器的高增益。通过利用开关电容单元也可以提高变换器的增益比，但是由于开关电容[3-4]个数增加，电容充放电过程中容易产生尖峰电流，同时增加了成本，降低了效率。

一些文献利用开关电感[5]的方法实现变换器的高增益，但是需要增加额外的电容器或二极管，这些额外的组件增大了功率损耗，降低了效率。基于耦合电感[6]的非隔离型直流升压变换器虽然可以实现高增益，但是其电路复杂，增大了输入电流纹波，且需要增加额外的电路来吸收耦合电感中的漏感能量。转换器的额外电路也会增加功率损耗、成本和整体电路的质量。文献[7]提出的变换器利用电容器作为电压源实现电压高增益，但是电容在充放电时，容易产生尖峰脉冲且输入电流是脉动的，增加了功率损耗，减低了效率。

本文研究了一种高增益双开关升压变换器，其基本思路为：利用同步脉冲宽度调制(PWM)波形控制开关管的导通与关断，将电感器L1中的电能通过电容器间接传递给电感器L2，从而实现变换器直流电压的高增益、输入电流的连续性以及低电感电流，提高了效率。

1 拓扑结构与工作原理

1.1 拓扑结构

从理论上，根据传统Boost 变换器的电压增益表达式，在占空比接近于1 时，其电压增益很大。但是，由于变换器中各个组件寄生参数的影响，在占空比大于一定的数值后，其变换器的电压增益大大降低。除此之外，还存在一些问题：电感器存在较大的电流纹波；二极管的导通时间变短且通过的输出电流峰值很大，反向恢复损耗严重；由于开关管关断电流较大，开关损耗也较大；变换器的效率大大降低。

为了使变换器实现电压高增益，提出了一种低输入纹波双开关高增益变换器，其拓扑结构如图1 所示。该变换器由两个半导体开关管S1、S2，两个二极管D1、D2，两个电感器L1、L2，两个电容器C1、C2构成。当开关管导通时，电源VS和电容器C1串联对电感器L2进行充电，电感器L2的电流增加，同时电源VS对电感器L1进行充电，电感器L1的电流增加。当开关管关断时，电源VS和电感器L1对电容器C1充电，电容器C1的电压增大，同时电源VS和电感器L2对电容器C2和负载R提供电能，从而增大输出电压。将两个电感器的一侧接入到输入端，保持输入电流连续性的同时，电感器的电流也较小，从而提高效率。

图1 高增益双开关升压变换器

1.2 工作原理

该变换器中的两个开关管同步PWM 信号驱动。图2 为该变换器在一个开关周期内的主要波形，在一个开关周期内变换器有两种工作模态，两种工作模态的等效电路图如图3～4 所示。

图2 变换器的主要波形

图3 工作模态1

图4 工作模态2

工作模态1：变换器在半导体开关管S1和S2导通时的情况如图3 所示。此时二极管D1和D2由于反向偏置电压不导通。电源VS给电感器L1充电的同时，与电容器C1串联给电感器L2充电，电感器L1和L2的电流增加；电容器C1的电压减小；负载由电容器C2提供电能。在该工作模式下，电感器L1和L2以及电容器C1和C2的状态表达式如式(1)所示。

工作模态2：变换器在半导体开关管S1和S2断开时的情况如图4 所示。此时二极管D1和D2受正向偏置电压导通。电源与电感器L2串联给负载提供能量，同时为电容器C2充电，电感器L2的电流减小；电源与电感器L1串联为电容器C1充电，电感器L1的电流减小，电容器C1的电压增加。在该工作模式下，电感器L1和L2以及电容器C1和C2的状态表达式如式(2)所示。

根据伏秒平衡原理，电感器在稳定状态下的输出电压为0。因此，根据式(1)～(2)，可得直流电压增益：

进一步简化式(3)，可得连续导通模态下变换器的直流电压增益G：

2 参数设计

为了验证上述分析的正确性，对高增益双开关升压变换器进行仿真验证，其主要参数为：输入电压VS为40 V；输出电压VO为380 V；输出功率PO为500 W；开关频率ƒS为100 kHz。

2.1 电感器L1、L2设计

根据图2 中开关管S1、S2导通状态下，可得电感电流的纹波表达式：

选择电感器电流纹波小于电感电流的平均值的20%进行设计。将变换器的主要参数值带入式(6)可得电感器的参数值，取电感器L1=0.16 mH，L2=1.5 mH。

2.2 电容器C1、C2设计

理论分析中一般将电容器认为恒压源，但是在实际中电容电压存在波动。根据图2，在开关管S1、S2导通状态下，可得电容器电压的纹波表达式：

选择电容器C1、C2电压纹波小于电容电压的平均值的1%进行设计。将变换器的主要参数值带入式(8)可得电容器的参数值，取电容器C1=22.5 μF，C2=2.35 μF。

3 性能分析与比较

3.1 性能分析

基于上述该变换器在稳态中连续导通模态下运行的理论分析，设该变换器中的各个组件均为理想的。根据式(1)～(2)可得到该变换器中各个组件相应的电压、电流应力表达式，如表1 所示。

表1 该变换器各组件电压、电流表达式

3.2 性能比较

本文对一些使用较少组件的变换器与高增益双开关升压变换器进行了性能的对比，变换器各项参数对比如表2所示。

表2 该变换器与其他变换器的性能对比

变换器的电压增益对比图如图5 所示。图5 和表2 证明了高增益双开关升压变换器在相同占空比下具有更高的电压增益。对比文献[5-7]提出的升压变换器，本文研究的高增益双开关升压变换器组件更少，电压增益更高，并且其输入端的电流无脉动，工作性能更好。文献[8]提出的变换器减小了输入电流的脉动性，但是其控制复杂，电压增益在占空比大于0.333 时较低，开关管在电压增益大于5 时承受较大的电压应力。

图5 电压增益对比图

4 仿真分析与验证

4.1 电压增益的验证分析

为了证明上述理论的正确性，本文利用Matlab/Simulink软件对该变换器进行仿真验证，其各组件的参数值为：输入电压VS为40 V；输出电压VO为380 V；输出功率PO为500 W；开关频率fS为100 kHz；电感器L1=0.16 mH，L2=1.5 mH；电容器C1=22.5 μF，C2=2.35 μF。当输入电压为40 V，占空比为0.675 6 时，仿真输出电压为375.8 V。与理论计算值大致相等，输出电压波形如图6 所示。此时电压增益达到了9.5 倍，与传统Boost 变换器相比，电压增益极大地得到提高，验证了该变换器能够实现电压高增益的特性。此外，还对该变换器与传统Boost 变换器在占空比接近于1 时进行仿真对比，选取占空比D为0.8 时，其输出电压对比如图7 所示。该变换器输出电压的平均值为619.482 V，而传统Boost 变换器输出电压的平均值为124.949 V，该变换器的输出电压远远大于传统Boost 变换器的输出电压。

图6 输出电压VO波形

图7 该变换器与传统Boost变换器电压对比图

4.2 输入电流与电感电流的验证分析

分别测量了输入电流和电感电流，如图8 所示，输入电流是连续的。电感器L1的电流平均值为8.32 A，电感器L2的电流平均值为3.985 A，其电流纹波均小于20%。与上述文献的变换器相比，该变换器的两个电感器在输入电流端为并联，流入电感内的电流变小，同时保持了输入电流的连续性。

5 结论

本文研究了具有双开关的高增益升压变换器，通过仿真与一些现有变换器的性能对比，表明该变换器具有以下优点：能够实现高电压增益，输出电压明显得到提高；输入电流连续；电感电流值低。本文研究的高增益双开关升压变换器可以应用在中、小型光伏发电系统中，是并网时可以考虑的变换器之一。

图8 输入电流与电感电流波形