基于開關電容網絡的高增益升壓變換器

陳磊，潘庭龍

（江南大學電氣自動化研究所，江蘇無錫214122）

基于開關電容網絡的高增益升壓變換器

陳磊，潘庭龍

（江南大學電氣自動化研究所，江蘇無錫214122）

針對傳統Boost變換器升壓能力有限，而開關電容網絡輸出電壓不可調問題，提出將開關電容網絡與傳統Boost電路相結合的方法。利用開關電容網絡串聯放電、并聯充電以及傳統Boost電路輸出電壓可調的特點，設計出一種新型基于開關電容網絡的高增益升壓變換器，并由此衍生一種實現分時供電的雙輸入升壓變換器。詳細分析兩種新型變換器的工作原理，搭建仿真模型，并進行了實驗研究。仿真分析與實驗結果表明：兩種變換器控制電路簡單；新型高增益升壓變換器升壓能力強；雙輸入升壓變換器可以實現分時供電，提高了元器件利用率。

開關電容網絡；升壓變換器；高增益；雙輸入；元器件利用率

光伏發電和燃料電池發電等新能源發電技術被已經被廣泛應用，但均存在輸出電壓較低的問題，需經過高升壓比直流變換器進行升壓變換，從而達到并網逆變器所需直流電壓［1］。傳統Boost變換器在進行懸殊電壓變換時，開關管工作在接近于1的理論值，變換器變換效率較低。在聯合并網發電系統中，常用多輸入DC-DC變換器，以簡化電路結構，降低成本［2］。傳統開關電容電路的輸出電壓受制于電路結構，可調性較差。如何獲得實用性強的開關電容網絡電路成為研究熱點［3-5］。文獻［6］提出在Boost電感釋放能量的回路中串聯一個電容以提高升壓效果，但電路效率較低。文獻［7］提出了一種串聯輸入串聯輸出的Boost變換電路，但其只適用于低壓輸入場合，具有一定的應用價值。文獻［8］提出了一種雙輸入Boost變換器，但其升壓能力有限，具有一定研究價值。

文中先將開關電容網絡與傳統Boost變換電路相結合，利用開關電容網絡的倍壓特性，基于傳統Boost電路的脈寬調制技術，設計出一種基于開關電容網絡的高增益升壓變換器。新型變換器升壓能力強，控制電路簡單，且開關管電壓應力和輸入輸出紋波較小，工作效率較高。接著將兩個開關電容網絡相互并聯，得到了一種雙輸入升壓變換器。該電路具有分時供電功能，通過兩個網絡中的電容電壓相互累加輸出，提高了升壓比以及元器件的利用率。

1　高增益開關電容網絡升壓變換器

1.1電路拓撲結構

將開關電容網絡結構與傳統Boost電路相結合，得到了一種新型高增益升壓變換器拓撲結構，如圖1所示。該電路經由三部分進行升壓：電感L、開關管S1組成的傳統Boost變換器進行預升壓；由電容C1、C2與二極管VD1、VD2組成的開關電容網絡，將電壓再次升高；最后經由二極管VDa和VDb與電容Ca和Cb組成的二極管電容網絡實現了電壓第三次升高。這3個升壓過程是在同時進行的。

圖4中，開關電容網絡電容C1和C2，二極管VD1、VD2、VD3、VDa、VDb，開關管S1、S2、S3，二極管電容網絡Ca和Cb的規格參數分別相同。

圖1　新型開關電容網絡升壓變換器拓撲

1.2電路工作原理

假設：1）電感電流連續；2）電容兩端的電壓保持不變；3）所有元器件均為理想器件。

開關管S1、S2由相同PWM信號控制，S3由與S1和S2相互交錯的PWM信號進行控制。輸入、輸出電壓分別記為Uin和U0。

（1）開關狀態1：在開關管S1、S2導通、S3關斷期間，二極管VD0、VD1、VD2截止，VD3、VDa、VDb導通，等效電路為圖2（a）所示。輸入電壓Uin與電感L串聯，電感儲能，電流iL線性增長，加在電感兩端的電壓為Uin，電容C1和C2交叉串聯給電容C0、Ca和Cb并聯充電，負載由Cf提供能量，電路中電壓關系為：

（2）開關狀態2：在開關管S1、S2關斷，S3導通期間，二極管VD0、VD1、VD2、VD3導通，VDa、VDb截止，等效電路如圖2（b）所示。此時電源Uin和電感L給電容C1、C2和C3并聯充電，電感L兩端電壓為Uin-Uc，iL線性減小，電容Ca、Cb串聯向負載供電：

圖2　等效電路圖

1.3變壓比和電壓、電流基本關系

根據電感的伏秒平衡原理，在占空比為D的開關周期TS內，由式（1）和式（2）可得：

經計算出輸出電壓U0大小為：

則輸出電流I0大小為：

根據功率守恒原理計算出輸入電感L電流大小為：

輸入電流紋波大小為：

輸出電壓紋波大小為：

2　新型雙輸入開關電容網絡升壓變換器

相鄰兩個開關電容網絡可以通過共用一個二極管進行并聯，實現了多端口輸入。基于此特點，結合傳統Boost電路提出了一種新型雙輸入升壓變換器，其拓撲結構如圖3所示。

圖3　新型雙輸入開關電容網絡升壓變換器

圖3中，Uin1、Uin2分別為輸入電源1和2的電壓，UL1、UL2分別為電感L1和L2兩端的電壓。開關電容網絡1和2通過共用開關管VD12并聯組成雙輸入網絡。兩網絡中電容和開關管規格參數相同，那么電容C11和C12兩端電壓相等、電容C21和C22兩端電壓相等，分別記為UC1和UC2。二極管電容網絡電容Ca和Cb兩端電壓也相等，記Ua=Ub=Uab。

與傳統的多輸入變換器相比，新型雙輸入升壓變換器使開關管工作在理想范圍內并同時提高了變換器升壓能力，同時減小了開關應力，降低了輸入輸出紋波，提高了元器件利用率。變換器具有分時供電特性，當只有一個電源輸入時，輸入電壓會自動均衡到兩個開關電容網絡中，然后通過兩個網絡的電容疊加輸出，網絡中每個電容都會向負載輸出一部分電壓，經過二極管電容網絡實現再次升壓。

圖4　主電路拓撲及其等效電路圖

2.1輸入電源1單獨工作

當只有輸入電源Uin1工作時，變換器的拓撲結構和等效電路如圖4（a）所示。

當開關管S1、S2、S3導通，開關管S4關斷時，二極管VD11、VD12、VD23截止，二極管VDa、VDb導通，電容C11與電容C22并聯后與電容C12和C21串聯，其等效電路如圖4（b）所示。加在電感L1兩端的電壓和電路中電容電壓的關系為：

當開關管S1、S2、S3關斷，開關管S4導通時，二極管VD11、VD12、VD23導通，二極管VDa、VDb截止，電容C11和電容C22與電容C12和C21分別并聯，其等效電路如圖4（c）所示，加在電感L1上的電壓和電路中電容電壓關系為:

根據公式可得，輸出電壓

式中，D為開關管占空比。

2.2輸入電源2單獨工作

當只有輸入電源Uin2工作時，變換器的工作原理與只有Uin1輸入時工作原理相似，經分析可得輸出電壓為：

式中，D為開關管占空比。

2.3電容電壓和電感電流紋波

根據電路工作原理和拓撲結構可知，兩個開關電容網絡中的電容電壓大小相等，為

輸入輸出電壓關系為：

電感和L1和L2的電流紋波大小Δi1、Δi2分別為：

可見，電路中雖然增加了一個開關電容網絡，卻使得變換器的升壓能力是傳統變換器提高了6倍，同時開關器件的電壓應力和開關電容網絡電容電壓應力沒有變大，電感電流紋波也較小，降低了設計難度，提高了元器件利用率。

3　仿真分析和實驗研究

文中基于Matlab/Simulink搭建了仿真模型，并以高增益開關電容網絡升壓變換器為例進行實驗研究。實驗參數如下：輸入電壓Uin=6V，電容C1、C2和C0大小為220 μF，電容Ca和Cb大小為470 μF，電感L為220 μF，電路選用IRF3710型號開關管，二極管均采用IN5819型號的肖特基二極管。

實驗電路采用NE555型號PWM發生器和IRF3710型號開關管，開關頻率fs=40kHz，新型高增益開關電容網絡升壓變換器采用PWM控制方式。當變換器占空比D=0.5時，變換器的工作波形如圖6所示。由圖5（a）和（b）知，實驗輸出電壓約為45V，與仿真結果接近，約為輸入電壓的8倍，滿足公式（4），而傳統Boost電路在這情況下僅為輸入源電壓的2倍，新型變換器的升壓能力提高4倍。

圖5　電路工作波形

圖6　輸出電壓

圖6（c）、（d）、（e）、（f）分別為電容C0和電容C1、C2兩端電壓仿真波形與實驗波形，由圖可知電容充放電呈指數形式，瞬間完成，電容C1、C2兩端電壓約為12V，為輸入電壓的2倍，與理論分析一致。

當輸入電源Uin1=20V單獨工作時，導通比D=0.5，新型雙輸入開關電容網絡變換器輸出電壓如圖6（a）所示。由圖看出仿真輸出約為235V，接近理論值240V，滿足公式（11），當輸入電源Uin2=10V單獨工作在導通比D=0.6時，輸出電壓如圖6（b）所示，滿足式（12）。

由上述仿真和實驗結果可知，高增益開關電容網絡升壓變換器具有升壓比高、控制簡單等特點，新型雙輸入開關電容網絡升壓變換器可以實現分時供電的功能，兩者均具有很好的應用價值。

4　結論

文中基于開關電容網絡串聯放電、并聯充電和傳統Boost電路輸出電壓可調的特點，提出了一種新型高增益升壓變換器，不僅能夠實現高壓比，同時具有良好的電壓調整特性，并延伸拓展出一種新型雙輸入升壓變換器，實現分時供電，提高了元器件利用率，但同時供電需保證兩輸入源電壓相同，同時供電特性還需進一步深入研究。

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High gain step-up converter based on switch capacitor network

CHEN Lei，PAN Ting-long
（School of Internet of Things Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

In existing traditional boost converters，the step-up capacity is limited，and the switch capacitor network output voltage is not adjustable.Therefore，according to the switch capacitor network working characteristics of discharging in series，charging in parallel and traditional boost converter working characteristics of adjusting output voltage，a high gain step-up converter is proposed in the paper，and its corresponding double-input boost converter which can realize time-sharing supply is deduced too.The working principles and performance of the two new types of converter are respectively given，and an experimental model is constructed.The Simulation analysis and experimental results indicates:the new high gain boost converter possesses powerful boosting ability；the control circuit of the two converter is simple；double-input boost converter can attain the implementation of power supply individually with high ratio of devices.

switch capacitor network；boost converter；high gain；double-input；high ratio of devices

TN712.3

A

1674－6236（2016）17-0173-05

2015-08-30稿件編號：201508167

江蘇省自然科學基金（BK2012550）

陳磊（1991—），男，安徽阜陽人，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動。