一种基于开关电感电容技术的耦合电感升压变换器

谢子殿，艾 建

（黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，哈尔滨 150022）

一种基于开关电感电容技术的耦合电感升压变换器

谢子殿，艾 建

（黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，哈尔滨 150022）

为了克服燃料电池输出电压较低，提高并网效率，设计一种具有高效率和高增益的变换器。利用开关电感和开关电容技术，研究一种融合三线圈耦合电感、开关电容和无源钳位技术的新型DC-DC变换器。通过搭建一个开关频率为50 kHz、输入电压20 V、输出电压200 V功率200 W的实验样机，验证了该变换器具有低的开关管电压应力、低的电压尖峰、高的电压增益的优点，有效改善了变换器的效率。

高增益；耦合电感；开关电容；开关电感。

0　引　言

燃料电池、光伏等新能源系统，输出电压较低，不能够直接为交流系统提供足够的电压。光伏并网系统所需要的电压比光伏系统的前级输出电压高出许多，能够实现高增益的变换器将有广泛的应用前景［1-5］。

理论上，Boost变换器可以运用极限占空比获得一个高的电压增益。然而，由于电路中寄生参数的限制，Boost变换器能够实现的电压增益是有限的。并且极限占空比将导致严重的方向恢复问题，效率较低，开关管的电压应力和EMI问题严重，因此，需要高电压增益变换器［6-8］。

文献［7］通过开关电容技术实现了高的电压增益，但是它的主开关电路电流过冲，导通损耗加大。开关电感技术也可以获得高的电压增益，然而在文献［9］中，开关的电压应力较大，增加了导通损耗。通过调整耦合电感的匝比，文献［10］实现了高的电压增益，但是由于漏感的原因，在开关关断的时候，开关管有严重的电压尖峰［11-13］。这个问题，有源钳位电路往往被用在具有耦合电感的拓扑中，但是由于增加了开关，驱动电路变复杂［14-16］。文献［17-19］引进了无损钳位电路，不仅循环了漏感能量，也有效降低了开关管的电压尖峰。

笔者提出一个新的变换器，将三绕组耦合电感技术和开关电容技术结合在一起，成功地实现了升压的功能。由于耦合电感漏感能够带来较大的导通损耗和严重的电压尖峰因此无损钳位电路被运用到这个拓扑中，并且无损钳位电路由一个升压电容和二极管组成。变换器中的两个电容串联放电，并行充电的同时对开关进行钳位，所以开关管的电压尖峰被有效抑制，反向恢复问题得到缓解，因此变换器的性能得到改善。

1　变换器的工作原理

图1 a是基本的开关电容和开关电感结构，通过开关电感和开关电容结构的融合，图1 b所示。再通过图1 b与Boost变换器融合，文中提出了一种新的变换器。

图1　变换器的结构Fig.1 Converter structures

图2a是具有开关电感和开关电容结构的基本变换器，它由一个三绕组耦合电感、三个二极管、三个电容共同组成，由于漏感的原因，开关管在关断的时候有尖峰电压。

为了抑制由漏感引起的在开关管上的尖峰电压，在图2 b中引进二极管D3，D3与C1构成钳位电路用来吸收漏感的能量。同时，由于D3的导通，D1和Lm与D0同时导通的问题可以被解决。

图2　新型无源钳位变换器Fig.2 Novel converter with passive lossless clamped circuits

图3是变换器的等效电路。耦合电感的模型为一个磁化电感Lm，一个一次侧的漏感Lk和匝比n=N2∶N1=N3∶N1（N＞1）的理想变压器，N1、N2和N3分别是一次侧和两个二次侧的线圈匝数。在本变换器中有N2=N3，因此VL2等于VL3。电容CS是开关管S的寄生电容。为了简化变换器的分析，假设如下：

图3　变换器的等效模型Fig.3 Equivalent circuit model of proposed converter

（1）开关管只考虑寄生电容，其它的元件都是理想的；

（2）在一个开关周期中，电容C1、C2和C0足够大，VC1和VC2等于VCC并且是常数。

图4是变换器在一个工作周期中的一些关键波形，变换器工作在连续模式（CCM）。变换器的开关状态如下：

模态1［t0，t1］:t=t0时刻，开关管S导通，D0和D3关断，图5 a是电流流过的路径。输入电源给原边电感充电，二极管D1和D3续流，输入电源、原边电感和二次侧电感L2一起给电容C1继续充电，同时输入电源、原边电感和二次侧电感L3一起给电容C2继续充电。输出电容给负载提供能量。二次侧电感分别被电容C1、C2钳位，二次侧电感电压为VL2=VL1=VC1=VC2=VCC当二极管D1和D2的电流降到零时，模态结束。

图4　连续模态下的典型波形Fig.4 Some typical waveforms of proposed converter at CCM operation

模态2［t1，t2］:t=t1时刻，二极管D1和D2关断，D3继续关断，输出二极管D0导通。图5 b是电流流过的路径。输入电源给原边电感充电，原边电感的电压为；二次侧电感L2和L3与电容C1和 C2串联为负载和输出电容提供能量，二次侧电感L2和L3的电压为。当开关管关断的时候，模态结束。

模态3［t2，t3］:t=t2时刻，开关管关断，开关管的寄生电容迅速充满电。图5 c是电流流过的路径。钳位二极管D3导通，储存在漏感中的能量被电容C1吸收，电容 C1、C2的电压为 VC1=VC2=VCC=。二次侧电感L2和L3与电容C2串联为负载和输出电容提供能量。当寄生电容的电压等于，模态结束。

模态4［t3，t4］:t=t3，D1和D2导通，输入电源、原边电感和二次侧电感L2一起给电容C1继续充电，同时输入电源、原边电感和二次侧电感L3一起给电容C2继续充电，电容C1继续吸收漏感中的能量，负载的能量由输出电容提供。电容C1钳住开关管的电压，开关管的电压为VDS=VCCVC1。图5 d是电流流过的路径。当流过D3的电流降到零时，模态结束。

模态5［t4，t5］:t=t4，D3关断，输入电源、原边电感和二次侧电感L2一起给电容C1继续充电，同时输入电源、原边电感和二次侧电感L3一起给电容C2继续充电，电容C1继续吸收漏感中的能量，负载的能量由输出电容提供。此时，开关管的电压为VDS=VC1-VL1。图5 e是电流流过的路径。当下一个开关周期开始，模态结束。

图5　连续模式下的运行模态Fig.5 Current-flow path of operating modes during one switching period at CCM operation

2　增益特性

在连续模式下，模态1、3、4的时间与整个开关周期比相对较短，为了便于稳态分析，只考虑模态2和5。由于C1和C2假定足够大，因此C1和C2的电压为

匝比n有

耦合系数k为

根据模态2，有

将式（1）带入式（2），电容C1和C2的电压为

对L1列伏秒积平衡方程有

把式（1）和式（3）带入式（4），电容C1和C2的电压为

电压增益为

电压增益受漏感和匝比的影响如图6所示。

图6　连续模式下的电压增益与占空比的关系Fig.6 Voltage gain versus duty ratio at CCM operation.

3　电压和电流应力

根据运行原理，二极管D1、D2、D3和D0的电压应力：

为了简化电流的计算，忽略极短的时间［t0，t1］，［t2，t3］和［t3，t4］，同时认为磁化电感电流足够大，并且是常数。根据电流平衡原理，电容C1在开关导通时刻平均电流为

因此，可以得到二极管D1和D2在开关关断时刻的平均电流为

根据图7和式（17），磁化电感的平均电流为

图7　简化波形Fig.7 Simplified waveforms

4　实验验证

为了验证基于开关电感电容技术的耦合电感高增益变换器的理论分析结果，采用主电路参数SiHG73N60E开关管，D1、D2、D3为IOH12S60C，C0为470 μF，C1为 10 μF，C2为 0.1 μF，来合电感为Core-NPS306060，N0=N2∶N1=N3∶N1，LP=137.6 μH，Ls= 548.5 μH，Vin=20 V，V0=200 V，P0=200 W，fs=50 kHz，对文中所提出的变换器进行实验验证。

4.1磁化电感的设计

通过设定磁化电感电流文波的大小，磁化电感的表达式为

根据式（18）和（19），磁化电感的表达式可以写成

4.2实验波形

图8是文中提出的新型变换器的关键实验波形。

图8　在200 W时的实验波形Fig.8 Experimental waveforms of proposed converter under full-load 200 W

图8a是开关管栅源级电压和耦合电感的原副边电流波形。图8 b副边电压和二极管D3的电压波形。图8 c是输出二极管和二极管D3的电流波形。图8 d是输入输出电压，可以看到输入大约20 V，输出约197 V。

新的变换器的效率曲线如图9所示，在80W时最大效率点96%，在200 W时的效率曲线约93.8%。

图9　效率曲线Fig.9 Experimental conversion efficiency

5　结束语

该变换器是一种新型开关耦合电感电容装置。通过开关耦合电感电容技术以及引入一个无损钳位电路，抑制了开关管的尖峰电压，同时避免了二极管同时导通，实现了变换器的升压和高效率并网，并进行了理论分析与实验对比。该变换器具有直流增益高，输入电流连续的特点，而且减小了磁芯原件的体积，成本小，控制简单，可以满足工程的需要。

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（编辑李德根）

A novel high step -up converter with a switched-coupled-inductor-capacitor structure

XIE Zidian，AI Jian
（School of Electrical&Control Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China）

This paper is motivated by the need for overcoming the lower output voltage in the fuel cell and effectively improving the grid efficiency and proposes the design of a novel DC-DC converter with a higher voltage gain and efficiency.This converter is developed by using switched-inductor and switched-capacitor techniques and thereby integrating three-winding coupled inductors，switched-capacitor，and passive lossless clamped circuit techniques to achieve efficient grid.The better performance of the proposed converter with a lower voltage stress and peek voltage on MOSFET and a higher voltage gain is validated by building a prototype circuit at 50 kHz switching frequency with 20 V input voltage，200 V output voltage，and 200 W output power is built in the laboratory，thus effectively improving the converter efficiency.

high gain；coupled inductor；switched capacitor；switched inductor

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.06.019

TM911

2095-7262（2015）06-0670-06

A

2015-10-16

谢子殿（1965－），男，黑龙江省鹤岗人，教授，研究方向：电力电子与电力传动、电机与电器、电气传动与控制方向，E-mail: xiezidian@163.com。