非隔離型Boost變換器拓撲結構綜述

何煥文　王曉剛

摘要：非隔離型Boost變換器常用于不需要電氣隔離的直流升壓場合，隨著應用領域的拓寬，對變換器性能要求越來越高，國內外研究學者提出了多種提高Boost變換器性能的拓撲結構。現分析了現有文獻中普遍采用的多種不同升壓技術的Boost變換器拓撲結構，包括級聯結構、交錯并聯結構等，系統分析了各種拓撲結構的工作原理，對電壓增益和開關器件電壓應力進行對比，總結了各種拓撲結構的優缺點，指出了新型Boost變換器采用拓撲復合型結構的發展趨勢，為研究和使用非隔離型Boost變換器提供一定的參考。

關鍵詞：非隔離型變換器;高增益;拓撲結構;開關電容;開關電感

0 引言

隨著全球能源危機以及環境污染問題的日益嚴重，開發利用可再生能源勢在必行，光伏發電、燃料電池等新能源領域得到越來越多的關注。其中，Boost變換器作為新能源系統中的前級升壓單元成為了研究熱點。非隔離型Boost變換器采用電容、電感儲能元件完成能量的高效傳輸，具有體積小、成本低、電磁干擾小等優點，被廣泛應用于不需要電氣隔離的中小功率場合。

隨著半導體器件技術的進步和更好的磁性材料的出現，促使升壓型DC-DC變換器性能提升，效率越來越高，應用領域的擴寬也對變換器性能提出了更高的要求。現有文獻中采用了多種不同升壓技術的拓撲結構，如級聯結構、交錯并聯結構等，以實現Boost變換器的性能提升。各種開關拓撲和開關單元的排列組合，形成了大量的拓撲結構容易讓人混淆，關于非隔離型Boost變換器綜述資料較少，基于此，本文對這些拓撲的演變過程進行了詳細分類和總結，為研究和使用非隔離型Boost變換器提供一定的參考依據。

1 傳統非隔離型Boost變換器

傳統的非隔離型Boost變換器采用電感、開關管和二極管組成升壓單元，如圖1所示。其中Vo為輸出電壓，Vin為輸入電壓，D為開關在一個周期中導通的占空比。開關管電壓應力VS=Vo，輸出二極管電壓應力VD=Vo。

根據伏秒平衡原理，輸出與輸入電壓比值：

根據增益公式，理論上只要開關占空比足夠大，就能獲得較高的升壓，但開關長期工作在極限占空比狀態下，電路的輸入側電流紋波增大，所需的儲能電感值變大;二極管的導電時間短且電流峰值很高，會造成很大的輸出電流紋波，導致輸出二極管嚴重的反向恢復問題和電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI），增加整個電路的器件損耗。

2 新型非隔離型Boost變換器

傳統的非隔離型Boost變換器電路在高升壓比的情況下存在升壓能力有限、功率密度低等缺點，因此提出了多種新型拓撲結構。

2.1? ? 級聯型Boost變換器

級聯型Boost變換器由n個傳統Boost升壓單元串聯組成，如圖2（a）所示。級聯結構的優點是不同級開關管可以工作在不同頻率狀態，總電壓增益為各個升壓單元增益總乘積，輸出電壓可連續調節，大幅度提高了變換器電壓傳輸比，拓寬了輸入電壓范圍，適用于對電壓增益較高的場合。級聯型是串聯結構，前級單元輸出電壓作為后一級單元的輸入電壓，前級開關管的電壓應力相對較低，后級單元開關管電壓應力逐級增大，不利于高頻開關。輸出二極管的電壓應力較傳統Boost變換器沒有改善，仍存在反向恢復問題。隨著級聯結構的增多，大量元器件使系統可靠性降低，開關管數量的增多，使控制回路設計變得復雜。在此基礎上，提出了單開關級聯型Boost電路，如圖2（b）所示，電壓增益按冪次方遞增，n個級聯單元構成的單開關級聯Boost變換器，電壓增益為1/（1-D）n，故稱為n次型Boost變換器。

以二次型單開關Boost變換器為例進行分析，如圖3所示。開關管電壓應力VS=Vo，輸出二極管電壓應力VD=Vo。

根據伏秒平衡原理，輸出電壓與輸入電壓比值：

二次型Boost變換器引入二極管，通過共用開關管減少開關損耗，簡化控制電路。與多開關級聯結構相比，開關管和輸出二極管的電壓應力仍然等于輸出電壓，同時還增加了二極管的數量，輸出二極管的反向恢復問題仍然存在。

2.2? ? 交錯并聯型Boost變換器

交錯并聯型Boost變換器由n個傳統Boost升壓單元相互并聯而成，共用輸入電源和輸出濾波電容，n個相交錯并聯結構相鄰兩個相位開關管控制信號依次錯開2π/n，如圖4所示。開關管電壓應力VS1=VS2=Vo，二極管電壓應力VD1=VD2=Vo。

根據伏秒平衡原理，輸出與輸入電壓比值：

交錯導通的控制方法使各相電感電流紋波相互抵消，可以減小輸入電流紋波，輸入電感取值減小，從而提高變換器的動態響應速度，電路中磁性元件的體積減小可以增加功率密度，還有利于降低變換器的電磁干擾（EMI）。交錯并聯型Boost變換器的增益與傳統Boost變換器增益相等，因此在高升壓比場合，開關占空比將非常大，升壓效率不理想。

2.3? ? 三電平Boost變換器

除了采用串聯和并聯結構，還可以通過三電平技術提高變換器性能。傳統Boost變換器開關管關斷時承受的電壓為Vo，利用兩個串聯電容將其電壓應力分成兩份，用兩個串聯的開關管替代傳統變換器開關管，加入二極管構成鉗位電壓源，其拓撲結構如圖5所示。開關管S1、S2同時導通和關斷，則三電平Boost變換器運行模式與傳統Boost變換器相同，開關管S1、S2采用移相控制方法，兩個開關管驅動信號交錯導通。開關管電壓應力VS1=VS2=Vo/2，輸出二極管電壓應力VD1=VD2=Vo/2。

根據伏秒平衡原理，輸出與輸入電壓比值：

三電平Boost變換器開關管的電壓應力和二極管電壓應力較傳統Boost變換器大幅降低，有利于減小開關損耗，緩解二極管的反向恢復問題;交錯控制方法的實現有利于減小輸入電流紋波，減小磁性元件的體積和重量，節省成本和提高功率密度。不足之處在于，三電平Boost變換器電壓增益與傳統Boost變換器相同，不適用于輸入輸出變比要求高的工作場合，采用極限占空比來提高增益會產生嚴重的反向恢復問題。

2.4? ? 帶開關電容Boost變換器

利用開關電容結構是實現高升壓比的一種有效措施。開關電容有多種變形結構，放置位置靈活，基本原理是根據電容電壓不能突變的特性，將電容等效為一個電壓源。開關電容的典型結構是在充電階段對開關電容進行并聯充電，在放電階段向負載串聯放電，從而實現高升壓比。帶開關電容Boost變換器如圖6所示。開關管電壓應力VS=Vo/2，輸出二極管電壓應力VD=Vo/2。

根據伏秒平衡原理，輸出與輸入電壓比值：

帶開關電容升壓變換器的電壓增益較傳統Boost變換器提高2倍;開關管和二極管的電壓應力都相應降低，具有較小的損耗，轉換效率高。不足之處在于，開關電容單元工作過程中存在電容直接并聯的情況，變換器啟動時存在較大的脈沖電流，變換器難以實現較為靈活的電壓增益調節。

2.5? ? 帶開關電感Boost變換器

開關電感Boost變換器工作原理與傳統Boost變換器工作原理相似，由2個電感和3個二極管組成開關電感單元，用開關電感單元代替原有電感，如圖7所示。開關導通時利用二極管的單向導通性，實現電感并聯充電，開關管關斷時電感串聯放電，通過控制開關管導通占空比來控制電壓增益。開關管電壓應力VS=Vo，輸出二極管電壓應力VD=Vo。

根據伏秒平衡原理，輸出與輸入電壓比值：

用開關電感代替普通電感可以很好地與其他拓撲結構組合使用，但當帶開關電感Boost變換器工作于高升壓場合時，開關管和輸出二極管電壓應力大，開關損耗大，二極管反向恢復問題嚴重。

2.6? ? 磁耦合型Boost變換器

磁耦合型Boost變換器是利用耦合電感代替普通電感而構成的Boost變換器，兩個繞組共用磁芯，形成一對耦合電感，理想情況下忽略漏感，兩個繞組匝數比N=n2/n1，如圖8所示。

電壓增益由開關管的占空比和耦合電感匝數比共同決定，將電壓增益的控制維度從一維提升到二維，不依賴于調整占空比控制升壓，增加系統靈活度。開關管電壓應力較傳統Boost變換器電壓低，可降低開關損耗，提高轉換效率。由于耦合電感副邊電壓，使得輸出二極管D所承受的電壓應力大于輸出電壓，二極管反向恢復問題嚴重。耦合電感制作比普通電感復雜，實際應用中往往還需要考慮漏感的存在，在開關管關斷瞬間，漏感與開關寄生電容發生諧振，開關兩端形成電壓尖峰，會導致變換器效率降低，因此磁耦合通常和軟開關技術組合使用。

2.7? ? 復合型Boost變換器

上文總結的6種升壓單元拓撲結構都能在一定程度上改善變換器的性能，但對性能的提升存在局限。為了能全面提升Boost變換器性能，近年來提出的新型Boost變換器拓撲普遍由兩個甚至多個升壓單元結構組合而成。

由二次型級聯結構與開關電容結合形成的新拓撲如圖9（a）所示，電壓增益為二次型和開關電容的電壓增益乘積，開關管和輸出二極管電壓都減少了一半，包含了二次型結構的高電壓增益和開關電容低電壓應力的優點。由交錯并聯結構與三電平技術結合形成的新拓撲如圖9（b）所示，低電感電流紋波小，開關電壓應力低，大大降低了損耗，提高了變換器效率。由交錯并聯、開關電容、耦合電感3個升壓結構結合使用構成的新拓撲如圖9（c）所示，可實現電壓增益、低電流紋波、低開關應力的性能全面提升。

3 結語

綜上分析可知，級聯結構能顯著提高電壓增益，但開關器件電壓應力沒有改善;交錯并聯結構能降低輸入電流紋波，對其他性能指標沒有提升;三電平結構可以降低開關管和二極管電壓應力，但對電壓增益沒有提高作用。開關電感、開關電容結構簡單，可拓展性強，可很好地與其他拓撲結構組合使用。復合型Boost變換器性能全面提升，成本相應增加，實際應用中要考慮具體需求再選用。磁耦合型電路由于耦合電感磁路設計復雜，目前關于磁耦合型電感的復合型Boost變換器比較少，但它的性能優越，可替代普通電感結構，有廣闊的研究前景。

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收稿日期：2020-03-02

作者簡介：何煥文（1993—），男，廣東廣州人，碩士研究生，研究方向：電力電子技術，DC-DC變換器的應用。