用于非隔離場(chǎng)合中的高增益DC-DC變換器綜述

吳貴洋

（安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032）

用于非隔離場(chǎng)合中的高增益DC-DC變換器綜述

吳貴洋

（安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032）

為了滿足在低壓輸入、高壓輸出直流升壓變換場(chǎng)合中的需要，近年來，眾多國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者相繼提出了多種高效率、高升壓比的DC-DC變換器。針對(duì)高增益的DC-DC變換器的現(xiàn)狀，對(duì)非隔離型高增益DC-DC變換器的升壓特點(diǎn)進(jìn)行了分析，簡(jiǎn)要闡明了其優(yōu)缺點(diǎn)。所述內(nèi)容為今后非隔離型DC-DC變換器的研究及其在非隔離場(chǎng)合中的工程應(yīng)用提供了一定的技術(shù)參考。

變換器；不間斷電源；電動(dòng)汽車；工業(yè)儀器

高增益DC-DC變換器在不間斷電源（UPS）、可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)、航空航天、電動(dòng)汽車、工業(yè)儀器儀表等升壓變換領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，在較大功率領(lǐng)域中的增長(zhǎng)率不斷上升，對(duì)其轉(zhuǎn)換效率、功率密度的要求越來越高。針對(duì)國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者提出的高增益Boost變換器，本文對(duì)非隔離型高增益Boost變換器的升壓特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并比較了其優(yōu)缺點(diǎn)。

1 非隔離型高增益DC-DC變換器

非隔離型高增益DC-DC變換器具有高效率、低成本等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用到了諸多領(lǐng)域中。本文對(duì)基于開關(guān)電感的升壓變換器、基于開關(guān)電容技術(shù)的DC-DC變換器、級(jí)聯(lián)型Boost變換器、二次型Boost變換器、低輸入電流紋波升壓直流變換器、交錯(cuò)并聯(lián)DC-DC變換器、耦合電感技術(shù)DC-DC變換器七類非隔離型高增益DC-DC變換器進(jìn)行了分析比較。

1.1 基于開關(guān)電感的升壓變換器

相比于基本Boost變換器而言，基于開關(guān)電感的升壓變換器電壓增益得到了提高。

在開關(guān)管導(dǎo)通工作時(shí)，形成與開關(guān)電感數(shù)量相同的獨(dú)立并聯(lián)充電回路；開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，在與輸入電源的共同作用下，串聯(lián)向輸出側(cè)放電。因此，變換器的電壓增益被抬升。但當(dāng)變換器工作于高升壓場(chǎng)合時(shí)，輸出二極管的反向恢復(fù)問題非常嚴(yán)重。

1.2 基于開關(guān)電容技術(shù)的DC-DC變換器

為了有效提高DC-DC變換器的升壓比，有學(xué)者提出了基于開關(guān)電容技術(shù)的DC-DC變換器。通過增加開關(guān)電容的數(shù)量，變換器的電壓增益也隨之增加。因此，升壓增益越高采用的開關(guān)電容就越多，增加了變換器的復(fù)雜度。此外，變換器難以實(shí)現(xiàn)較為靈活的電壓增益調(diào)節(jié)。在低壓輸入、高壓輸出的升壓變換場(chǎng)合中，其應(yīng)用受到了限制。

1.3 級(jí)聯(lián)型升壓Boost變換器

級(jí)聯(lián)式升壓Boost變換器利用多級(jí)升壓?jiǎn)卧瓿闪烁唠妷涸鲆娴哪繕?biāo)，輸入電流紋波也得到了減小，滿足可高電壓增益變換場(chǎng)合中低壓輸入、高壓輸出的要求。圖1為兩級(jí)式級(jí)聯(lián)Boost變換器。第一級(jí)變換器開關(guān)管的電壓應(yīng)力較低，而第二級(jí)變換器開關(guān)管的電壓應(yīng)力較大，輸出二極管的電壓應(yīng)力也較大，其反向恢復(fù)問題比較嚴(yán)重。此外，主電路的控制比較復(fù)雜，且系統(tǒng)的穩(wěn)定性值得考慮。因此，級(jí)聯(lián)式升壓Boost變換器未得到廣泛應(yīng)用。

圖1 兩級(jí)式級(jí)聯(lián)Boost變換器

1.4 二次型Boost變換器

在兩級(jí)式級(jí)聯(lián)Boost變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，有學(xué)者提出了二次型Boost變換器，將級(jí)聯(lián)Boost變換器中有源開關(guān)器件的數(shù)量減少了一半，也減少了一路驅(qū)動(dòng)電路的使用。該變換器具有較高的電壓增益，有源開關(guān)器件的電壓應(yīng)力得到了明顯的降低，輸入電流紋波也得到有效的抑制，但有源開關(guān)器件承受的電流應(yīng)力較大。

1.5 低輸入電流紋波升壓直流變換器

為了使高增益DC-DC變換器在要求輸入電流紋波低的場(chǎng)合中得到充分應(yīng)用，有學(xué)者提出了低輸入電流紋波升壓直流變換器，即將基本Boost變換器中儲(chǔ)能電感用電容鉗位住，在輸入電源側(cè)添加一輔助電感，從而形成了基本Boost低輸入電流紋波變換器，如圖2所示。在其基礎(chǔ)上衍生出了多種具有低輸入電流紋波特性的變換器，但額外增加的電容、二極管導(dǎo)致系統(tǒng)變得復(fù)雜。

圖2 基本Boost低輸入電流紋波變換器

1.6 交錯(cuò)并聯(lián)DC-DC變換器

傳統(tǒng)交錯(cuò)并聯(lián)DC-DC變換器的輸入輸出電流脈動(dòng)較小，改善了變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，還有利于降低變換器的電磁干擾（EMI），但變換器的電壓增益與基本Boost變換器相同，并沒有得到提高，功率器件的電壓應(yīng)力沒有降低，開關(guān)管處于硬開關(guān)狀態(tài)，輸出二極管的反向恢復(fù)問題也沒得到改善。有學(xué)者在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改進(jìn)，先后提出了改進(jìn)型兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost變換器、帶開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的交錯(cuò)并聯(lián)高增益Boost變換器、交錯(cuò)控制高增益ZCT Boost變換器等，進(jìn)一步優(yōu)化了變換器的性能，在高頻、較大功率領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用。

1.7 耦合電感技術(shù)DC-DC變換器

耦合電壓技術(shù)廣泛運(yùn)用到了DC-DC變換器中，電壓增益不僅與開關(guān)管的占空比有關(guān)，還受到耦合電感、副邊匝比的影響。在合適占空比的條件下，變換器即可實(shí)現(xiàn)較大的電壓增益，且系統(tǒng)的控制維度由傳統(tǒng)的一維拓展為兩維，系統(tǒng)的靈活度得到了提高；功率器件的電壓應(yīng)力也得到了降低，有利于選擇低耐壓等級(jí)、低導(dǎo)通損耗高性能器件以改善變換器的總體效率；耦合電感漏感控制了二極管關(guān)斷電流的下降率，進(jìn)而解決了二極管反向恢復(fù)電流問題，有助于降低二極管的反向恢復(fù)損耗。在開關(guān)管鉗位電路的配合下，耦合電感的漏感能量可被有效吸收，降低了開關(guān)管兩端的電壓尖峰。因此，耦合電感技術(shù)DC-DC變換器成為了研究熱點(diǎn)之一，演變出了多種高效率、高升壓比DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，廣泛運(yùn)用到了高升壓變換領(lǐng)域中。

2 結(jié)論

本文對(duì)非隔離型DC-DC變換器進(jìn)行了分類綜述，分析了七類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的升壓原理及其工作特點(diǎn)，并對(duì)各自性能進(jìn)行了比較，其在較大功率范圍內(nèi)得到了良好應(yīng)用。

［1］王挺，湯雨.基于開關(guān)電感的有源網(wǎng)絡(luò)升壓變換器的研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29（12）.

［2］唐世榮，侯世英，陳劍飛.基于開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的雙輸入升壓變換器［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2014，38（01）.

［3］Nejad，M.L.，Poorali，B.，Adib，E.，et al.New cascade boost converter with reduced losses.IET Power Electron，2016，9（06）.

［4］曹太強(qiáng)，劉威，郭筱瑛，等.雙耦合電感二次型高升壓增益DC-DC變換器［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30（08）.

［5］陳章勇，許建平，吳建雪.基于耦合電感倍壓?jiǎn)卧牧爿斎腚娏骷y波高增益非隔離變換器［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，38（18）.

［6］陸治國(guó)，劉捷豐，林賢貞.一種改進(jìn)型兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost變換器［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2010，14（07）.

［7］羅全明，張陽(yáng)，閆歡，等.一種帶耦合電感的有源鉗位高增益Boost變換器［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（27）.

〔編輯：張思楠〕

TM46

：A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.16.119

2095－6835（2017）16－0119－02

吳貴洋（1991—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電及其控制技術(shù)、電力電子變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。