一种高增益型DC-DC变换器拓扑的研究

陈培育，闫海云，李国栋，王旭东，薛利坤

（1.国网天津市电力公司，天津 300010；2.天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072）

一种高增益型DC-DC变换器拓扑的研究

陈培育1，闫海云2，李国栋1，王旭东1，薛利坤2

（1.国网天津市电力公司，天津 300010；2.天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072）

提出一种可用于户用光伏发电系统的新型高增益DC-DC变换器拓扑结构。基于交错并联开关电容的拓扑结构构成一个新型的拓扑结构，并对4通道改进拓扑结构的工作原理和稳态进行分析，拟实现低压侧电流应力的进一步降低，高压侧降低电压应力并实现在输入变化较大的范围内对输出电压的调节。最后，通过搭建1个200 W的原理样机验证了上述理论分析的正确性。

高增益；DC-DC变换器；户用光伏；开关电容

在新能源分布式并网发电系统中，光伏发电已成为主要的研究课题，同时如何将太阳能的输出升压到较高的标准母线电压，已成为一个重要的研究课题。常用的储能装置如铅酸蓄电池和锂电池，一般铅酸电池单体电压为2 V和12 V；锂电池分为锂聚合物电池和铁锂电池，其单体电压一般为2.8 V和3.2 V。而并网需要的直流母线电压一般较高，比如400 V。传统的BOOST变换器已不能满足如此大的电压增益要求，所有在较大功率场合，大多使用多个模块并联的方式，其中交错并联是一种常用的方式。

为了获得较高电压增益，避免变换器工作在极限占空比，文献［1］是在传统BOOST变换器的基础上进行改进，提出一种新型拓扑，实现了高增益同时减小了纹波；文献［2］提出了一种非隔离型三电平双向DC-DC变换器，该变换器虽然具有开关电压应力低和输入输出电流纹波小的特点，但变换器的变换比并没有得到提升，且由于飞跨电容的存在，需要对其采取稳压电路才能使变换器正常工作，控制较复杂。

基于耦合电感技术的高电压增益DC-DC变换器方案被广泛采用［3-6］。文献［6］提出的基于反激式耦合电感的高增益BOOST变换器拓扑，可有效利用漏感能量缓解输出二极管反向恢复问题，实现了较高效率和较高电压增益。在上述拓扑中均可通过改变耦合电感原副边的匝比来实现高电压增益，但是如何设计耦合电感成为一个难点。

另一种获得高电压增益的方法是利用开关电容技术［7-9］。该类拓扑利用开关电容的储能作用，以不同充放电路径及时间来达到提高电压增益的目的。开关电容电路一般具有功率密度较高和重量轻等特点，然而上述开关电容电路均存在电流应力较大、开关器件数量较多、输出调节及大功率应用困难等问题。文献［10］中验证了交错并联的拓扑结构可以有效地减小电流纹波。

本文基于交错并联型开关电容拓扑构成1个新型高增益拓扑结构，并且具体分析了4通道改进拓扑结构的工作原理，拟实现低压侧降低电流应力，高压侧降低电压应力，并且可以在输入变化较大的范围内实现输出电压的调节，搭建了实验平台对理论分析进行了验证。

1　N通道交错并联开关电容变换器拓扑结构

N通道交错并联开关电容变换器拓扑如图1所示，每一通道由1个电感、1个储能电容、2个开关管组成。各通道参数设计相同，L1=L2=…=LN= L，C1=C2=…=CN=C，可以通过升压比来灵活设计通道数量。

图1　N通道交错并联开关电容变换器拓扑Fig.1　N channel interleaved parallel switching capacitor converter topology

2　工作原理分析

为了深入研究电路拓扑的优缺点，以4通道交错并联开关电容变换器为例进行具体分析。图2为四相BOOST模式等效电路，其中箭头表示电压电流的参考方向；VL表示低压侧电压；VH表示高压侧电压；D表示占空比，开关S1，S2，S3，S4开关频率相同，占空比相同，占空比大于0.5；S1与S3的驱动与S2与S4的驱动相位交错180°。为了使原理分析简单化，对电路进行如下假设：1）二极管和开关管都是理想的；2）电容值足够大，使流过电容的电流保持常量。电路的工作模态可以分成4部分，各个模态的原理图如图2所示。

图2　4通道交错并联开关电容变换器工作模态Fig.2　The work modes of four-channel interleaved parallel switching capacitive inverter

工作模态1如图2a所示。开关S1，S2，S3，S4均处于开通状态，电感L1，L2，L3，L4处于充电状态，二极管D1，D2，D3，D4由于反向偏置电压而关断，电感电流iL1,iL2,iL3,iL4呈线性上升，在这个工作模态下二极管D4两端的电压VD4=VH-VC3，电感两端的电压为

输出电容CH向负载提供能量，电流-iCH=iL，二极管D1的反向电压是VC1，二极管D2的反向电压为VC2-VC1,二极管D3承受的反向电压为VC3-VC2,二极管D4承受的反向电压为VH-VC3,开关管S1的电流iS1=iL1,开关管S2的电流为iS2=iL2,开关管S3的电流iS3=iL3,开关管S4的电流iS4=iL4。

工作模态2如图2b所示。开关S2，S4关断，开关S1，S3持续开通，二极管D1，D3因为反向偏置电压而关断，电感L1，L3充电，充电幅值为VL，电感L2放电到C2，电感电流iL2线性下降，放电电压是VL+VC1-VC2,放电方程为：VL+VC1-VC2= L2diL2/dt。电感L4放电到CH，电感电流iL4线性下降，放电电压是VL+VC3-VH,放电方程为：VL+VC3-VH=L4diL4/dt。电容C1放电，C2充电，电流iC2=-iC1=iL2。

电容C3放电，电流iC3=-iLN2=-io,io=iCH+iL。其电压方程为

由于电容值相对较大，充放电时间很短，所以认为电容C1，C2，C3上电压在1个周期内恒定不变。在这种工作模态下对应的方程组为

工作模态3如图2c所示。电路工作状态与工作模态1相同。

工作模态4如图2d所示。开关管S1，S3关断，开关管S2，S4持续导通。电感L1放电到C1，电感电流iL1线性下降，放电电压为VL-VC，电感L3放电，电感电流 iL1线性下降，放电电压为VL-VC2-VC3,电感L2,L4充电，充电电压是VL，在此模态下的4个电感的特性方程为

综合上述分析，4通道交错并联开关电容变换器相关参数波形图如图3所示，其中t0—t1表示工作模态1，t1—t2表示工作模态2，t2—t3表示工作模态3，t3—t4表示工作模态4。

图3　4通道交错并联开关电容变换器原理分析图Fig.3　The principle analysis diagram of four-channel interleaved parallel switching capacitive inverter

综合以上对4通道交错并联开关电容变换器开关特性的分析，可以得出电感L1，L3在工作模式1～3中充电，电感L1伏秒平衡方程式：

化简得到：

电感L3伏秒平衡方程式：

化简得到：

电感L2在工作模态1，3中充电，在工作模态2中放电，放电电压是VL+VC1-VC2，由伏秒平衡原理得到电感L2伏秒平衡方程如下：

化简得到：

电感L4在工作模态1，3，4中均充电，在工作模态2中放电，由伏秒平衡原理得到电感L4伏秒平衡方程如下：

化简得到：

综合式（7）、式（9）、式（11）、式（13）得到：

电容C1，C3充电，C2放电，充放电方程式如式（2）～式（4）所示。

二极管D2，D4反向截止电压为VD2=VC3-VC1, VD4=VH-VC3,开关管S1，S3阻断电压降为VS1=VC1, VS3=VC3-VC2，开关管S2上电流为iS2=iL1+iL2，开关管S4上的电流为iS4=iL4+iL3。负载由输出电容CH提供能量。由于L1，L3充放电电压相同，充放电时间同步，所以电感电流iL3=iL1，同样得到iL2=iL4。

由各个电感的伏秒平衡方程和二极管D4的反向截止电压方程可得：

由此可以推出N通道交错并联开关电容变换器的电压增益为

从上式中可以看出电压增益M与占空比和通道数有关，并且成比例关系，为了形象地表示三者之间的关系，升压比与占空比和通道数量的关系图如图4所示，从图中可以看出，当D=0.6时，N=4，电压增益是10，而N=1时，电压增益为2.5。

图4　升压比、占空比和通道数量关系图Fig.4　Relationships between step-up ratio ratio，duty cycle and phase number

3　实验验证及结论

为了验证本文提出新型交错并联开关电容变换器能够实现高增益，并可以降低电压和电流应力，搭建了1个200 W的实验样机，实验参数如下：低压侧电压VL=24 V；占空比D=0.6；开关频率 fs=200 kHz；电感 L=100 μH；开关电容CN=40 μF,N=1,2,3；滤 波 电 容 CL=CH= 80 μF。实验波形如图5所示，图5中，VDS1表示开关管S1的电压，iL1,iL2表示电感L1,L2的电流。

图5　实验波形Fig.5　Experiment waveforms

从图5a看出高压侧输出电压约230 V，该拓扑此时的电压增益大约为10，电感电流iL1,iL2为低压侧总输入电流的四分之一，且电感电流纹波小于500 mA；图5b为电感L1,L2的电流iL1和iL2,输入电压VL和开关管S1的漏源电压波形。从图5b中可以看出开关管S1的电压应力为60 V，是高压侧输出电压的四分之一。当输出电压为60 V、输出功率为200 W时，电阻是：R=P/U2=200/2302= 3.8mΩ。测得电路的输出效率是93.8%。

在开关电容拓扑的基础上，本文提出一种可用于光伏发电系统的新型高增益DC-DC变换器拓扑结构，通过增加交错并联电感显著降低低压侧功率器件电流应力。本文分析了其实现高电压增益的工作原理，并且通过实验验证了该拓扑的有效性，实验结果证明该拓扑可以显著降低电压和电流应力，证明了理论分析的正确性。

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Research on a High Gain Type DC-DC Converter Topology

CHEN Peiyu1，YAN Haiyun2，LI Guodong1，WANG Xudong1，XUE Likun2
（1.State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300010，China；2.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

A novel high step-up DC-DC converter was proposed which can be used for household photovoltaic power generation system.Based on the topology of the interleaved parallel switched capacitors topology structure，so as to form a new kind of topology structure，and the working principle and the stesdy-state of the four channel improved topolpgy were analysed.This topology aimed to reduce current stress in low-voltage side further，decrease voltage stress in high-voltage side，and to achieve output voltage regulation with a wide range input.Finally，a 200 W prototype is implementedtoverifythecorrectnessoftheabovedtheoreticalanalysis.

high step-up；DC-DC converter；household photovoltaic；switched capacitors

TM464

A

2015-08-14

修改稿日期：2016-04-09

国网总部科技项目《户用光伏发电系统关键技术研究与示范应用》（SGTJDK00DWJS1500098）

陈培育（1983-），男，硕士，Email：chenpeiyu400@sina.com