基于開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的高增益升壓變換器

陳磊，潘庭龍

（江南大學(xué)電氣自動化研究所，江蘇無錫214122）

基于開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的高增益升壓變換器

陳磊，潘庭龍

（江南大學(xué)電氣自動化研究所，江蘇無錫214122）

針對傳統(tǒng)Boost變換器升壓能力有限，而開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)輸出電壓不可調(diào)問題，提出將開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)Boost電路相結(jié)合的方法。利用開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)放電、并聯(lián)充電以及傳統(tǒng)Boost電路輸出電壓可調(diào)的特點，設(shè)計出一種新型基于開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的高增益升壓變換器，并由此衍生一種實現(xiàn)分時供電的雙輸入升壓變換器。詳細(xì)分析兩種新型變換器的工作原理，搭建仿真模型，并進(jìn)行了實驗研究。仿真分析與實驗結(jié)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(xiàn)分時供電，提高了元器件利用率。

開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)；升壓變換器；高增益；雙輸入；元器件利用率

光伏發(fā)電和燃料電池發(fā)電等新能源發(fā)電技術(shù)被已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，但均存在輸出電壓較低的問題，需經(jīng)過高升壓比直流變換器進(jìn)行升壓變換，從而達(dá)到并網(wǎng)逆變器所需直流電壓［1］。傳統(tǒng)Boost變換器在進(jìn)行懸殊電壓變換時，開關(guān)管工作在接近于1的理論值，變換器變換效率較低。在聯(lián)合并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，常用多輸入DC-DC變換器，以簡化電路結(jié)構(gòu)，降低成本［2］。傳統(tǒng)開關(guān)電容電路的輸出電壓受制于電路結(jié)構(gòu)，可調(diào)性較差。如何獲得實用性強的開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)電路成為研究熱點［3-5］。文獻(xiàn)［6］提出在Boost電感釋放能量的回路中串聯(lián)一個電容以提高升壓效果，但電路效率較低。文獻(xiàn)［7］提出了一種串聯(lián)輸入串聯(lián)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(yīng)用價值。文獻(xiàn)［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(guān)電容網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)Boost變換電路相結(jié)合，利用開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的倍壓特性，基于傳統(tǒng)Boost電路的脈寬調(diào)制技術(shù)，設(shè)計出一種基于開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)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(guān)管電壓應(yīng)力和輸入輸出紋波較小，工作效率較高。接著將兩個開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)相互并聯(lián)，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(wǎng)絡(luò)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(guān)電容網(wǎng)絡(luò)升壓變換器

1.1電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

將開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)Boost電路相結(jié)合，得到了一種新型高增益升壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。該電路經(jīng)由三部分進(jìn)行升壓：電感L、開關(guān)管S1組成的傳統(tǒng)Boost變換器進(jìn)行預(yù)升壓；由電容C1、C2與二極管VD1、VD2組成的開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，將電壓再次升高；最后經(jīng)由二極管VDa和VDb與電容Ca和Cb組成的二極管電容網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了電壓第三次升高。這3個升壓過程是在同時進(jìn)行的。

圖4中，開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)電容C1和C2，二極管VD1、VD2、VD3、VDa、VDb，開關(guān)管S1、S2、S3，二極管電容網(wǎng)絡(luò)Ca和Cb的規(guī)格參數(shù)分別相同。

圖1　新型開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)升壓變換器拓?fù)?/p>

1.2電路工作原理

假設(shè)：1）電感電流連續(xù)；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(guān)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(jìn)行控制。輸入、輸出電壓分別記為Uin和U0。

（1）開關(guān)狀態(tài)1：在開關(guān)管S1、S2導(dǎo)通、S3關(guān)斷期間，二極管VD0、VD1、VD2截止，VD3、VDa、VDb導(dǎo)通，等效電路為圖2（a）所示。輸入電壓Uin與電感L串聯(lián)，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(lián)給電容C0、Ca和Cb并聯(lián)充電，負(fù)載由Cf提供能量，電路中電壓關(guān)系為：

（2）開關(guān)狀態(tài)2：在開關(guān)管S1、S2關(guān)斷，S3導(dǎo)通期間，二極管VD0、VD1、VD2、VD3導(dǎo)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(lián)充電，電感L兩端電壓為Uin-Uc，iL線性減小，電容Ca、Cb串聯(lián)向負(fù)載供電：

圖2　等效電路圖

1.3變壓比和電壓、電流基本關(guān)系

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

經(jīng)計算出輸出電壓U0大小為：

則輸出電流I0大小為：

根據(jù)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(guān)電容網(wǎng)絡(luò)升壓變換器

相鄰兩個開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)可以通過共用一個二極管進(jìn)行并聯(lián)，實現(xiàn)了多端口輸入?；诖颂攸c，結(jié)合傳統(tǒng)Boost電路提出了一種新型雙輸入升壓變換器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　新型雙輸入開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)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(guān)電容網(wǎng)絡(luò)1和2通過共用開關(guān)管VD12并聯(lián)組成雙輸入網(wǎng)絡(luò)。兩網(wǎng)絡(luò)中電容和開關(guān)管規(guī)格參數(shù)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(wǎng)絡(luò)電容Ca和Cb兩端電壓也相等，記Ua=Ub=Uab。

與傳統(tǒng)的多輸入變換器相比，新型雙輸入升壓變換器使開關(guān)管工作在理想范圍內(nèi)并同時提高了變換器升壓能力，同時減小了開關(guān)應(yīng)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(dāng)只有一個電源輸入時，輸入電壓會自動均衡到兩個開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)中，然后通過兩個網(wǎng)絡(luò)的電容疊加輸出，網(wǎng)絡(luò)中每個電容都會向負(fù)載輸出一部分電壓，經(jīng)過二極管電容網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)再次升壓。

圖4　主電路拓?fù)浼捌涞刃щ娐穲D

2.1輸入電源1單獨工作

當(dāng)只有輸入電源Uin1工作時，變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和等效電路如圖4（a）所示。

當(dāng)開關(guān)管S1、S2、S3導(dǎo)通，開關(guān)管S4關(guān)斷時，二極管VD11、VD12、VD23截止，二極管VDa、VDb導(dǎo)通，電容C11與電容C22并聯(lián)后與電容C12和C21串聯(lián)，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(guān)系為：

當(dāng)開關(guān)管S1、S2、S3關(guān)斷，開關(guān)管S4導(dǎo)通時，二極管VD11、VD12、VD23導(dǎo)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(lián)，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(guān)系為:

根據(jù)公式可得，輸出電壓

式中，D為開關(guān)管占空比。

2.2輸入電源2單獨工作

當(dāng)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(jīng)分析可得輸出電壓為：

式中，D為開關(guān)管占空比。

2.3電容電壓和電感電流紋波

根據(jù)電路工作原理和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可知，兩個開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)中的電容電壓大小相等，為

輸入輸出電壓關(guān)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(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，卻使得變換器的升壓能力是傳統(tǒng)變換器提高了6倍，同時開關(guān)器件的電壓應(yīng)力和開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)電容電壓應(yīng)力沒有變大，電感電流紋波也較小，降低了設(shè)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(guān)電容網(wǎng)絡(luò)升壓變換器為例進(jìn)行實驗研究。實驗參數(shù)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(guān)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(fā)生器和IRF3710型號開關(guān)管，開關(guān)頻率fs=40kHz，新型高增益開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)升壓變換器采用PWM控制方式。當(dāng)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(jié)果接近，約為輸入電壓的8倍，滿足公式（4），而傳統(tǒng)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(shù)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(dāng)輸入電源Uin1=20V單獨工作時，導(dǎo)通比D=0.5，新型雙輸入開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)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(dāng)輸入電源Uin2=10V單獨工作在導(dǎo)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(jié)果可知，高增益開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)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(guān)電容網(wǎng)絡(luò)升壓變換器可以實現(xiàn)分時供電的功能，兩者均具有很好的應(yīng)用價值。

4　結(jié)論

文中基于開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)放電、并聯(lián)充電和傳統(tǒng)Boost電路輸出電壓可調(diào)的特點，提出了一種新型高增益升壓變換器，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高壓比，同時具有良好的電壓調(diào)整特性，并延伸拓展出一種新型雙輸入升壓變換器，實現(xiàn)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(jìn)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(xué)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。