基于開關電容網絡的DC-DC 變換器

侯世英 陳劍飛 孫 韜 王儷蓉 王玉峰

（1.重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室 重慶 400044 2.國網重慶市電力公司市區供電分公司 重慶 400015）

1 引言

DC-DC 變換器從誕生以來，一直備受電力電子界的青睞，廣泛應用于[1]蓄電池充電器、開關電源、不間斷供電電源、航空航天、電動汽車和光伏發電、風力發電、燃料電池發電等應用領域[1-6]。按照DC-DC 變換器中有無變壓器來劃分，可將DC-DC變換器分為隔離型和非隔離型。在非隔離型DC-DC變換器中，從最基本的Buck、Boost、Buck-Boost、Buck/Boost 雙向變換器拓撲結構被提出后，專家學者們在此基礎上相繼派生出了多種DC-DC 拓撲結構，以彌補和擴大基本DC-DC 變換器的工作性能，而這樣的研究工作將還會繼續延續下去。

然而，在許多電壓變換領域，要求寬輸入或寬輸出，或者寬輸入、寬輸出[7-13]。要實現這些要求，僅僅依靠最基本的DC-DC 變換器是遠遠不夠的。因此，本文提出了一種升壓型開關電容網絡和一種降壓型開關電容網絡，并在此基礎上推演出一系列新型DC-DC 變換器：單級升壓變換器、單級降壓變換器、雙向升降壓變換器、多輸入升壓變換器和多級降壓變換器。詳細講述了它們的推導過程及其工作原理。與傳統的DC-DC 變換器相比，本文提出的五種變換器的升壓、降壓能力更好，擴展了變換器的適用范圍。

2 開關電容網絡

圖1 給出了開關電容網絡的電路結構：圖1a為升壓型開關電容網絡，圖1b 為降壓型開關電容網絡。在升壓型開關電容網絡中，兩個交叉電容C1與C2的規格參數相同，二極管VD1與VD2的規格參數也相同；在降壓型開關電容網絡中，兩個交叉電容C1與C2的規格參數相同，開關管S1與S2的規格參數也相同。從而，升壓型開關電容網絡和降壓型開關電容網絡均為一個對稱型網絡，電容C1和C2兩端的電壓大小相等，即

式中，UC1、UC2分別代表電容C1、C2兩端的電壓。

圖1 開關電容網絡Fig.1 Switched-capacitor network

升壓型開關電容網絡的基本工作原理為：當開關管S 導通時，二極管VD1、VD2關斷，電容C1、C2交叉串聯放電；當開關管S 關斷時，二極管VD1、VD2導通，電容C1、C2并聯充電。通過兩個交叉電容串聯放電、并聯充電的工作特性，能夠實現提高變換器升壓能力的目的。

另外，基于升壓型開關電容網絡，本文提出了兩種升壓型開關電容網絡組：升壓型開關電容網絡并聯實現的開關電容網絡組，如圖2a 所示；升壓型開關電容網絡串聯實現的開關電容網絡組，如圖2b所示。在圖2 中，共有N個升壓型開關電容網絡，分別標記為網絡1、網絡2、…網絡N。升壓型開關電容網絡并聯，即N個升壓型開關電容網絡互相并聯，使得所有升壓型開關電容網絡的電容電壓相同；升壓型開關電容網絡串聯，即N個升壓型開關電容網絡互相串聯，所有開關電容網絡的電容電壓根據輸入電源電壓的不同而不同。

圖2 升壓型開關電容網絡組Fig.2 Set-up-protype switched-capacitor network sets

升壓型開關電容網絡組的存在，使得變換器拓撲具有以下兩個重要特點。

（1）多個開關電容網絡可以并聯使用，實現能量的快速傳遞并達到多個網絡中電容電壓累加升壓的目的，可用來構建高增益單輸入直流變換器和實現分時供電的多輸入高增益直流變換器。

（2）多個開關電容網絡也可以串聯使用，實現多個網絡中電容電壓串聯累加升壓的效果，可用來構建既能實現同時供電又能實現分時供電的多輸入高增益直流變換器。

與升壓型開關電容網絡不同的是，降壓型開關電容網絡需要同時控制兩個開關管，其基本工作原理為：當開關管 S1、S2同時導通時，續流二極管VD 關斷，電容C1、C2并聯放電；當開關管S1、S2同時關斷時，續流二極管VD 導通，電容C1、C2交叉串聯充電。通過兩個交叉電容并聯放電、串聯充電的工作特性，可得到較小的電壓輸出。

與升壓型開關電容網絡組的構成方法相同，若干個降壓型開關電容網絡并聯可以構成降壓型開關電容網絡組。本文給出了降壓型開關電容網絡并聯的情況，如圖3 所示。多個降壓型開關電容網絡并聯，與多個升壓型開關電容網絡并聯類似，其各個網絡的電容電壓大小相等。不同的是，降壓型開關電容網絡組是通過部分電容累加來平分輸入電源電壓，從而實現變換器的前級降壓功能。

圖3 降壓型開關電容網絡組Fig.3 Step-down-protype switched-capacitor network set

3 基于開關電容網絡的DC-DC 變換器

本文結合Boost 變換器和Buck 變換器的工作特性，在開關電容網絡的基礎上，構建了五種DC-DC變換器，詳細給出了理論分析過程。

3.1 單級升壓變換器

在傳統Boost 變換器中，將主開關管S 替換為升壓型開關電容網絡，其他元件保持不變，可以得到一種新型升壓變換器，如圖4 所示。在圖4 中，該變換器中的電感L、開關管S和二極管VD1或VD2構成傳統Boost 變換器，實現前級升壓的作用；同時，通過升壓型開關電容網絡中兩個交叉電容串聯放電、并聯充電的工作特性，實現該變換器的再次升壓。需要說明的是，前級Boost 升壓和升壓型開關電容網絡升壓是同時進行的，所以該變換器是一個單級升壓電路，簡稱為單級升壓變換器，其等效電路如圖5 所示。

圖4 單級升壓變換器Fig.4 The single-stage step-up converter

圖5 單級升壓變換器的等效電路Fig.5 Equivalent circuits of the single-stage step-up converter

當開關管S 導通時，二極管VD1、VD2截止，等效電路如圖5a 所示。此時電容C1與C2交叉串聯，電感L上的電壓及輸出電壓大小分別為

當開關管S 關斷時，二極管VD1、VD2導通，其等效電路如圖5b 所示。此時電容C1與C2并聯，由輸入電源對其進行充電，電感L上的電壓大小為

對于電感L，在一個開關周期內，根據電感伏秒平衡，結合式（2）～式（4）可得升壓型開關電容網絡的電容電壓和單級升壓變換器的輸出電壓大小分別為

3.2 單級降壓變換器

在傳統Buck 變換器中，將續流二極管替換為降壓型開關電容網絡，可以得到一種新型降壓變換器，如圖6 所示。其中，開關管Sin與降壓型開關電容網絡一起實現前級分壓的作用；同時，開關管S1或S2，與二極管VD、電感L一起構成Buck 變換器，實現再次降壓的作用。同單級升壓變換器一樣，這兩個降壓過程是同時進行的，因此，該將變換器簡稱為單級降壓變換器，等效電路如圖7 所示。

圖6 單級降壓變換器Fig.6 The single-stage step-down converter

圖7 單級降壓變換器的等效電路Fig.7 Equivalent circuits of the single-stage step-down converter

當開關管S1、S2導通且Sin關斷，單級降壓變換器的等效電路如圖7a 所示，二極管VD 關斷，降壓型開關電容網絡中的電容C1與C2并聯，向輸出端提供能量。此時，電感L上的電壓大小為

當開關管S1、S2關斷且Sin導通，單級降壓變換器的等效電路如圖7b 所示，二極管VD 導通，開關電容網絡中的電容C1與C2交叉串聯，達到對輸入電源串聯分壓的目的

電感L上的電壓大小為

結合式（7）～式（9）可得降壓型開關電容網絡的電容電壓和單級降壓變換器的輸出電壓大小分別為

3.3 雙向升降壓變換器

結合單級升壓變換器和單級降壓變換器，可得雙向升降壓變換器，如圖8 所示。

圖8 雙向升降壓變換器Fig.8 Bidirectional step-up/step-down converter

當能量從Uin流向Uo時，VD1、VD2、VD3和S4一直處于關斷狀態，Cin、S1、S2、S3、C1、C2、VD4、L和Co構成單級降壓變換器，實現降壓的功能；當能量從Uo流向Uin時，VD4、S2、S3和S1一直處于關斷狀態，Co、L、S4、VD2、VD3、VD1、C1、C2和Cin構成單級升壓變換器，實現升壓的功能。

3.4 多輸入升壓變換器

根據圖2 所示的兩種升壓型開關電容網絡組，本文提出兩種新型多輸入升壓變換器。為了便于理論分析與實驗研究，本文以雙輸入升壓變換器為例。

3.4.1 基于升壓型開關電容網絡并聯的雙輸入升壓變換器

基于升壓型開關電容網絡并聯的雙輸入升壓變換器，如圖9 所示。由文獻[14]可知，該變換器只能實現分時供電功能，其輸出電壓大小為

圖9 基于升壓型開關電容網絡并聯的雙輸入升壓變換器Fig.9 Double-input step-up converter based on the step-up-protype switched-capacitor networks in parallel

3.4.2 基于升壓型開關電容網絡串聯的雙輸入升壓變換器

圖10 給出基于升壓型開關電容網絡串聯的雙輸入升壓變換器電路拓撲，容易得到同時供電模式下該變換器的輸出電壓大小為

圖10 基于升壓型開關電容網絡串聯的雙輸入升壓變換器Fig.10 Double-input step-up converter based on the step-up-protype switched-capacitor networks in series

當該變換器處于分時供電模式時，等價于單級升壓變換器。

3.5 多級降壓變換器

如圖3 所示，若干個降壓型開關電容網絡并聯可構成一個降壓型開關電容網絡組，基于該網絡組可得到一種多級降壓變換器。以二級降壓變換器為例，其電路拓撲如圖11 所示，等效電路如圖12 所示。

圖11 二級降壓變換器Fig.11 The two-stage step-down converter

圖12 二級降壓變換器的等效電路Fig.12 Equivalent circuits of the two-stage step-down converter

當S2、S3、S5同時導通且S1、S4關斷時，續流二極管VD 關斷，兩個降壓型開關電容網絡中的兩個電容互相并聯，使得其每個網絡中的電容電壓大小相等。此時，電感L上的電壓大小分別為

當S2、S3、S5同時關斷且S1、S4導通時，續流二極管VD 導通，電容C2與C4并聯，有

另外，降壓型開關電容網絡組中的三個電容對輸入電源串聯分壓，有

此時，電感L上的電壓大小為

由式（14）～式（17）可得二級降壓變換器的輸出電壓大小為

4 仿真分析

為了驗證基于開關電容網絡的DC-DC 變換器的優越性能，分別對本文提出的五種新型 DC-DC變換器進行仿真實驗。仿真實驗參數：開關頻率fs=100kHz，升壓型開關電容網絡和降壓型開關電容網絡的電容均取47μF，輸出濾波電容為100μF。在單級升壓變換器中，取輸入直流電壓Uin=48V，輸入電感L=220μH；在雙輸入升壓變換器中，取輸入直流電壓Uin1=48V，Uin2=30V，輸入電感L1=L2=220μH；在單級降壓變換器和二級降壓變換器中，均取輸入直流電壓Uin=300V，輸出濾波電感均取400μH。

當占空比D=0.60 時，三種升壓變換器（單級升壓變換器、基于升壓型開關電容網絡并聯的雙輸入升壓變換器和基于升壓型開關電容網絡串聯的雙輸入升壓變換器）的輸出結果，如圖13 所示。其中，在圖13b 中，0～0.20s 為輸入源Uin1獨立工作，0.20s～0.40s 為輸入源Uin2獨立工作。

在圖 13a 中，輸出電壓 237.3V 接近理論值240V，電容電壓119.1V 接近理論值120V，且輸出電壓為電容電壓的兩倍，驗證了式（5）、式（6）。在圖13b 中，可知輸出電壓是電容電壓的三倍，滿足式（12），同時兩個開關電容網絡的電容電壓相等。在圖13c 中，網絡1 電容電壓和網絡2 電容電壓分別是輸入源1 電壓和輸入源2 電壓的2.5 倍，且輸出電壓是輸入電源1 電壓和輸入電源2 電壓大小之和的5 倍，驗證了式（13）。

圖13 三種升壓變換器的輸出結果Fig.13 Output results of three step-up converters

當占空比D=0.40 時，兩種降壓變換器（單級降壓變換器和基于降壓型開關電容網絡并聯的二級降壓變換器）的輸出結果，如圖14 所示。同樣地，在圖14 中，單級降壓變換器和二級降壓變換器的輸出結果也與理論分析一致。

圖14 兩種降壓變換器的輸出結果Fig.14 Output results of two step-down converters

由圖13和圖14 的實驗結果可知，本文提出的五種DC-DC 變換器的輸出電壓穩定，紋波小。除此之外，這五種DC-DC 變換器具有以下性質：

（1）單級升壓變換器是傳統Boost 升壓能力的兩倍，且通過升壓型開關電容網絡并聯可以得到升壓能力更強的多輸入變換器，而開關器件和電容電壓應力保持不變。

（2）在基于升壓型開關電容網絡并聯的多輸入升壓變換器和基于升壓型開關電容網絡串聯的多輸入升壓變換器中，其輸出電壓都是通過開關電容網絡中的電容電壓累加實現的。不同的是，前者是部分電容電壓累加且所有電容電壓相等，而后者是所有電容電壓累加且不同網絡的電容電壓不同。

（3）單級降壓變換器的降壓能力是傳統 Buck變換器的兩倍，且當降壓型開關電容網絡個數增加一個，其降壓能力增加一倍。缺點是開關管數量較多且需要隔離控制，控制電路相對復雜。

（4）將單級升壓變換器和單級降壓變換器相結合，可得到一種雙向升降壓變換器，實現能量的雙向流動。

5 結論

本文提出開關電容網絡，并基于該網絡推演出5 種新型DC-DC 變換器，與傳統DC-DC 變換器相比，具有較大的優越性。仿真實驗驗證了這 5 種DC-DC 變換器理論分析的正確性和可行性。

[1]Li Wuhua,He Xiangning.Review of nonisolated high-step-up DC/DC converters in photovoltaic grid-connected applications[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2011,58(4):1239-1250.

[2]Omar Hegazy,Joeri Van Mierlo,Philippe Lataire.Analysis,modeling,and implementation of a multidevice interleaved DC/DC converter for fuel cell hybrid electric vehicles[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(11):4445-4458.

[3]Pablo F Miaja,Miguel Rodriguez,Alberto Rodriguez,et al.A linear assisted DC/DC converter for envelope tracking and envelope elimination and restoration applications[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(7):3302-3309.

[4]Anna Richelli,Simone Comensoli,Zsolt M Kovacs-vajna.A DC/DC Boosting technique and power management for ultralow-voltage energy harvesting applications[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2012,59(6):2701-2708.

[5]Dmitri Vinnikov,Indrek Roasto,Rsyzard Strzelecki,et al.Step-up DC/DC Converter with cascaded quasi-Z-source network[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2012,59(10):3727-3736.

[6]Chien-MingWang,Chang-HuaLin,Hsin-Yi Lin.Highefficiency and low-stress ZVS-PWM bid irectional DC/DC converter for battery charger[C].IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications,Power Electronics,2011,6:1185-1190.

[7]張國駒,唐西勝,周龍,等.基于互補PWM 控制的Buck/Boost 雙向變換器在超級電容器儲能中的應用[J].中國電機工程學報,2011,31(6):15-21.Zhang Guoju,Tang Xisheng,Zhou Long,et al.Research on complementary PWM controlled Buck/Boost bidirectional converter in supercapacitor energy storage[J].Proceedings of the CSEE,2011,31(6):15-21.

[8]皇金鋒,董鋒斌.基于PSIM 的非隔離式DC/DC 變換器仿真[J].電力自動化設備,2009,29(9):73-76.Huang Jinfeng,Dong Fengbin.Simulation of nonisolated DC/DC converter based on PSIM[J].Electric Power Automation Equipment,2009,29(9):73-76.

[9]吳紅飛,陸玨晶,石巍,等.一族非隔離雙向直流變換器[J].中國電機工程學報,2012,32(9):65-71.Wu Hongfei,Lu Yujing,Shi Wei,et al.A family of non-isolated bi-directional DC-DC converters[J].Proceedings of the CSEE,2012,32(9):65-71.

[10]廖志凌,阮新波.一種獨立光伏發電系統雙向變換器的控制策略[J].電工技術學報,2008,23(1):97-103.Liao Zhiling,Ruan Xinbo.Control strategy for bidirectional DC/DC converter of a novel stand-alone photovoltaic power system[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2008,23(1):97-103.

[11]劉勝永,唐安瓊.一種新穎的軟開關雙向DC/DC 變化器分析與設計[J].電力自動化設備,2012,32(3):28-31.Liu Shengyong,Tang Anqiong.Analysis and design of soft-switching bidirectional DC-DC converter[J].Electric Power Automation Equipment,2012,32(3):28-31.

[12]陸益民,張波,尹麗云.DC/DC 變換器的切換仿射線性系統模型及控制[J].中國電機工程學報,2008,28(15):16-22.Lu Yimin,Zhang Bo,Yin Liyun.Switched affine systems modeling and control of DC/DC converters[J].Proceedings of the CSEE,2008,28(15):16-22.

[13]Chia-An Yeh,Yen-Shin Lai.Digital pusle width modulation technique for a synchronous Buck DC/DC converter to reduce switching frequency[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2012,59(1):550-561.

[14]侯世英,陳劍飛,孫韜,等.基于 Switch-Capacitor網絡實現分時供電的多輸入升壓變換器[J].電工技術學報,2014,29(4):27-37.Hou Shiying,Chen Jianfei,Sun Tao,et al.A multiinput step-up converter for individual supplying power based on the switch-capacitor network[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2014,29(4):27-37.