基于開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)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(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室 重慶 400044 2.國網(wǎng)重慶市電力公司市區(qū)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(yīng)用于[1]蓄電池充電器、開關(guān)電源、不間斷供電電源、航空航天、電動汽車和光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池發(fā)電等應(yīng)用領(lǐng)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(jié)構(gòu)被提出后，專家學(xué)者們在此基礎(chǔ)上相繼派生出了多種DC-DC 拓撲結(jié)構(gòu)，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(xù)延續(xù)下去。

然而，在許多電壓變換領(lǐng)域，要求寬輸入或?qū)捿敵觯蛘邔捿斎?、寬輸出[7-13]。要實現(xiàn)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(guān)電容網(wǎng)絡(luò)和一種降壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，并在此基礎(chǔ)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(dǎo)過程及其工作原理。與傳統(tǒng)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(guān)電容網(wǎng)絡(luò)

圖1 給出了開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)：圖1a為升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，圖1b 為降壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)。在升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)中，兩個交叉電容C1與C2的規(guī)格參數(shù)相同，二極管VD1與VD2的規(guī)格參數(shù)也相同；在降壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)中，兩個交叉電容C1與C2的規(guī)格參數(shù)相同，開關(guān)管S1與S2的規(guī)格參數(shù)也相同。從而，升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)和降壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)均為一個對稱型網(wǎng)絡(luò)，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(guān)電容網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Switched-capacitor network

升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的基本工作原理為：當(dāng)開關(guān)管S 導(dǎo)通時，二極管VD1、VD2關(guān)斷，電容C1、C2交叉串聯(lián)放電；當(dāng)開關(guān)管S 關(guān)斷時，二極管VD1、VD2導(dǎo)通，電容C1、C2并聯(lián)充電。通過兩個交叉電容串聯(lián)放電、并聯(lián)充電的工作特性，能夠?qū)崿F(xiàn)提高變換器升壓能力的目的。

另外，基于升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，本文提出了兩種升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組：升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)實現(xiàn)的開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組，如圖2a 所示；升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)實現(xiàn)的開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組，如圖2b所示。在圖2 中，共有N個升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，分別標(biāo)記為網(wǎng)絡(luò)1、網(wǎng)絡(luò)2、…網(wǎng)絡(luò)N。升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)，即N個升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)互相并聯(lián)，使得所有升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的電容電壓相同；升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)，即N個升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)互相串聯(lián)，所有開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的電容電壓根據(jù)輸入電源電壓的不同而不同。

圖2 升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組Fig.2 Set-up-protype switched-capacitor network sets

升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)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(guān)電容網(wǎng)絡(luò)可以并聯(lián)使用，實現(xiàn)能量的快速傳遞并達到多個網(wǎng)絡(luò)中電容電壓累加升壓的目的，可用來構(gòu)建高增益單輸入直流變換器和實現(xiàn)分時供電的多輸入高增益直流變換器。

（2）多個開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)也可以串聯(lián)使用，實現(xiàn)多個網(wǎng)絡(luò)中電容電壓串聯(lián)累加升壓的效果，可用來構(gòu)建既能實現(xiàn)同時供電又能實現(xiàn)分時供電的多輸入高增益直流變換器。

與升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)不同的是，降壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)需要同時控制兩個開關(guān)管，其基本工作原理為：當(dāng)開關(guān)管 S1、S2同時導(dǎo)通時，續(xù)流二極管VD 關(guān)斷，電容C1、C2并聯(lián)放電；當(dāng)開關(guān)管S1、S2同時關(guān)斷時，續(xù)流二極管VD 導(dǎo)通，電容C1、C2交叉串聯(lián)充電。通過兩個交叉電容并聯(lián)放電、串聯(lián)充電的工作特性，可得到較小的電壓輸出。

與升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組的構(gòu)成方法相同，若干個降壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)可以構(gòu)成降壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組。本文給出了降壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)的情況，如圖3 所示。多個降壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)，與多個升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)類似，其各個網(wǎng)絡(luò)的電容電壓大小相等。不同的是，降壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組是通過部分電容累加來平分輸入電源電壓，從而實現(xiàn)變換器的前級降壓功能。

圖3 降壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組Fig.3 Step-down-protype switched-capacitor network set

3 基于開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的DC-DC 變換器

本文結(jié)合Boost 變換器和Buck 變換器的工作特性，在開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，構(gòu)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(tǒng)Boost 變換器中，將主開關(guān)管S 替換為升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，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(guān)管S和二極管VD1或VD2構(gòu)成傳統(tǒng)Boost 變換器，實現(xiàn)前級升壓的作用；同時，通過升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)中兩個交叉電容串聯(lián)放電、并聯(lián)充電的工作特性，實現(xiàn)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(guān)電容網(wǎng)絡(luò)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(dāng)開關(guān)管S 導(dǎo)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(lián)，電感L上的電壓及輸出電壓大小分別為

當(dāng)開關(guān)管S 關(guān)斷時，二極管VD1、VD2導(dǎo)通，其等效電路如圖5b 所示。此時電容C1與C2并聯(lián)，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(guān)周期內(nèi)，根據(jù)電感伏秒平衡，結(jié)合式（2）～式（4）可得升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)Buck 變換器中，將續(xù)流二極管替換為降壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，可以得到一種新型降壓變換器，如圖6 所示。其中，開關(guān)管Sin與降壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)一起實現(xiàn)前級分壓的作用；同時，開關(guān)管S1或S2，與二極管VD、電感L一起構(gòu)成Buck 變換器，實現(xiàn)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(dāng)開關(guān)管S1、S2導(dǎo)通且Sin關(guān)斷，單級降壓變換器的等效電路如圖7a 所示，二極管VD 關(guān)斷，降壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)中的電容C1與C2并聯(lián)，向輸出端提供能量。此時，電感L上的電壓大小為

當(dāng)開關(guān)管S1、S2關(guān)斷且Sin導(dǎo)通，單級降壓變換器的等效電路如圖7b 所示，二極管VD 導(dǎo)通，開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)中的電容C1與C2交叉串聯(lián)，達到對輸入電源串聯(lián)分壓的目的

電感L上的電壓大小為

結(jié)合式（7）～式（9）可得降壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)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(jié)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(dāng)能量從Uin流向Uo時，VD1、VD2、VD3和S4一直處于關(guān)斷狀態(tài)，Cin、S1、S2、S3、C1、C2、VD4、L和Co構(gòu)成單級降壓變換器，實現(xiàn)降壓的功能；當(dāng)能量從Uo流向Uin時，VD4、S2、S3和S1一直處于關(guān)斷狀態(tài)，Co、L、S4、VD2、VD3、VD1、C1、C2和Cin構(gòu)成單級升壓變換器，實現(xiàn)升壓的功能。

3.4 多輸入升壓變換器

根據(jù)圖2 所示的兩種升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)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(guān)電容網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)的雙輸入升壓變換器

基于升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)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(xiàn)分時供電功能，其輸出電壓大小為

圖9 基于升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)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(guān)電容網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)的雙輸入升壓變換器

圖10 給出基于升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)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(guān)電容網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)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(dāng)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(guān)電容網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)可構(gòu)成一個降壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組，基于該網(wǎng)絡(luò)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(dāng)S2、S3、S5同時導(dǎo)通且S1、S4關(guān)斷時，續(xù)流二極管VD 關(guān)斷，兩個降壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)中的兩個電容互相并聯(lián)，使得其每個網(wǎng)絡(luò)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(dāng)S2、S3、S5同時關(guān)斷且S1、S4導(dǎo)通時，續(xù)流二極管VD 導(dǎo)通，電容C2與C4并聯(lián)，有

另外，降壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組中的三個電容對輸入電源串聯(lián)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(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的DC-DC 變換器的優(yōu)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(shù)：開關(guān)頻率fs=100kHz，升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)和降壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)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(dāng)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(guān)電容網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)的雙輸入升壓變換器和基于升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)的雙輸入升壓變換器）的輸出結(jié)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(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的電容電壓相等。在圖13c 中，網(wǎng)絡(luò)1 電容電壓和網(wǎng)絡(luò)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(jié)果Fig.13 Output results of three step-up converters

當(dāng)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(guān)電容網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)的二級降壓變換器）的輸出結(jié)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(jié)果也與理論分析一致。

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

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

（1）單級升壓變換器是傳統(tǒng)Boost 升壓能力的兩倍，且通過升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)可以得到升壓能力更強的多輸入變換器，而開關(guān)器件和電容電壓應(yīng)力保持不變。

（2）在基于升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)的多輸入升壓變換器和基于升壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)的多輸入升壓變換器中，其輸出電壓都是通過開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)中的電容電壓累加實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)的電容電壓不同。

（3）單級降壓變換器的降壓能力是傳統(tǒng) Buck變換器的兩倍，且當(dāng)降壓型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)個數(shù)增加一個，其降壓能力增加一倍。缺點是開關(guān)管數(shù)量較多且需要隔離控制，控制電路相對復(fù)雜。

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

5 結(jié)論

本文提出開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，并基于該網(wǎng)絡(luò)推演出5 種新型DC-DC 變換器，與傳統(tǒng)DC-DC 變換器相比，具有較大的優(yōu)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(yīng)用[J].中國電機工程學(xué)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(shè)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(xué)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(fā)電系統(tǒng)雙向變換器的控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)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(guān)雙向DC/DC 變化器分析與設(shè)計[J].電力自動化設(shè)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(tǒng)模型及控制[J].中國電機工程學(xué)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(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)分時供電的多輸入升壓變換器[J].電工技術(shù)學(xué)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.