1、第 49 卷 第 3 期：1263-1272 高电压技术 Vol.49,No.3:1263-1272 2023 年 3 月 31 日 High Voltage Engineering March 31,2023 DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.20220701 2023 年 3 月 31 日第 49 卷 March 超高倍压耦合电感 Boost 变换器 张 民，袁成功，薛鹏飞，叶睿明，赵振伟（青岛理工大学信息与控制工程学院，青岛 266520）摘 要：为提升、稳定新能源发电系统的输出电压，提出一种超高倍压耦合电感 DC-DC 变换器。采用耦合电路升压结构，使变换器增加
2、新的增益调节单元；采用开关钳位结构，降低变换器开关器件的电压尖峰，吸收耦合电路的漏感能量，提高电压转换效率；对电路进行闭环控制，稳定变换器的输出电压；推演电路的工作模态和状态空间表达式，并与近几年典型的升压电路做比较。通过仿真和实验，分析电路在闭环控制下的稳态性能。研究结果表明：变换器可将 18 V 直流电稳定地提升到 380 V，为提升新能源发电系统的输出电压奠定基础。关键词：DC-DC 变换器；耦合电路；增益调节；超高升压；开关钳位；闭环控制 Ultra-high Voltage Coupled Inductor Boost Converter ZHANG Min,YUAN Chenggo
3、ng,XUE Pengfei,YE Ruiming,ZHAO Zhenwei(School of Information and Control Engineering,Qingdao University of Technology,Qingdao 266520,China)Abstract：In order to improve and stabilize the output voltage of new energy power generation system,an ultra-high voltage coupled inductor DC-DC converter is pro
4、posed.A coupling circuit boost structure is adopted to add a new gain regulating unit to the converter.A switching clamp structure is used to reduce the voltage spike of the converter switching device,absorb the leakage inductance energy of the coupling circuit,and improve the voltage conversion eff
5、iciency.The circuit is controlled in a closed loop to stabilize the output voltage of the converter.The operating modes and state space expressions of the circuit are deduced and compared with typical boost circuits in recent years.The steady-state perfor-mance of the circuit under closed-loop contr
6、ol is analyzed by simulation and experiments.The results show that the converter can increase the low voltage of 18 V DC to the high voltage of 380 V stably,which lays a foundation for im-proving the output voltage of the new energy power generation system.Key words：DC-DC converters;coupling circuit
7、s;gain regulation;ultra high pressure;switch clamping;closed-loop control 0 引言1 高增益 DC-DC 变换器在新能源发电领域具有重要的应用价值，同时也为特高压直流输电工程做出了重要贡献。传统升压结构使系统低压输入高压输出成为现实，但传统升压结构的升压范围有限，无法使新能源系统输出更高等级的电压1-4。为构造出可以输出更高电压等级的变换器，研究人员设计了多种电路结构：(1)级联结构5-8，变换器升压能力变强，却降低了电路的转换效率；(2)开关电容结 构9-12，变换器升压显著，但半导体器件的数目成倍增加，同时会使半导体
8、产生非常大的电流尖峰；基金资助项目：山东省自然科学基金(ZR2020ME200)；山东省研究生教育优质课程建设项目(SDYKC20113)。Project supported by Natural Science Foundation of Shandong Province(ZR2020ME200),Graduate Education Quality Curriculum Construction Project of Shandong Province(SDYKC20113).(3)耦合电感结构13-17，增加新的增益调节因子，升压比调制灵活，器件少，但开关器件的电压尖峰较大。针对上述升
9、压电路器件较多、半导体元件电压电流尖峰较大的问题，本文设计了一种超高倍压耦合电感 Boost 变换器。通过引入耦合电感和开关电容的嵌套单元实现超高升压特性，不仅节省了电路的器件，还通过钳位电容和漏感抑制了半导体元件的电压电流尖峰。对变换器进行闭环控制，并与典型电路作性能对比，最终通过一台实验样机对该变换器的性能进行了进一步的证明。1 变换器结构及工作过程 1.1 变换器结构设计 图 1 为新能源发电系统的框架图。新能源装置因环境等不确定因素，无法产生稳定的电压，而不稳定的电压无法被人们有效地利用，所以需通过特1264 高电压技术 2023,49(3)定的装置将不稳定的交、直流电压转换为高压直流
10、母线所需要的电压，再通过逆变单元实现并网。本文所设计的变换器就是将光伏等直流电压进行倍压转换，从而实现系统的高电压输出。进行高倍压输出的同时，需进行变换器的闭环控制，从而使最终的输出电压稳定在一个确定的目标值。图 2 是超高倍压耦合电感 Boost 变换器的设计流程。由图 2(a)可知，耦合电感原副线圈通过磁电转换，可将提升的电压能量存储在电容当中，从而实现拓扑的升压功能。为进一步提升拓扑的升压能力，将二极管的 b 连接点，转换到 a 连接点，并在b 点进行开关动作，耦合电感原、副线圈的电能都会经过二极管存储在电容内，从而使升压结构的升压能力变得更强。同时，电容又钳制了二极管的反向截止电压。由
11、图 2(b)可知，开关电容结构若想具备较高的升压能力，需要进行开关电容的多级嵌套，此时二极管的数目会成倍的增加，而且容性串联回路还会给二极管带来较大的电流尖峰。开关电容通过二极管的开关动作，可将拓扑前级的电能分时存储在上桥臂的电容内，再与下桥臂的电容串联输出，从而实现拓扑的升压功能。若将耦合电感副边嵌入到开关电容下桥臂内，则耦合电感副边的电能也会转移到上桥臂电容中，使拓扑的升压能力再次提升。耦合电感副边的漏感可以约束开关电容工作所产生的电流尖峰，开关电容又可以钳制耦合电感工作所产生的电压尖峰，两者优势互补，克服了彼此的缺点，既增强了拓扑的升压能力，又增强了拓扑的稳定性。由图 2(c)可知，双开
12、关单元的设计平分了传统单开关结构的电压应力，电容又钳制了半导体的电压尖峰。传统单开关结构使耦合电感源边的电压变化由输入电源决定；而双开关单元的 2 个开关管同时导通、关断，使得耦合电感源边的电压变化由输入电源和双开关单元内部的电容共同决定。因此，可使耦合电感源边的电压变化范围加大，从而使拓扑的升压能力再一次提升。将新型耦合电感单元 c 点与新开关电容的 d 点连接，将开关单元的 g 点与耦合电感单元 b 点连接，f 点与 h 点共地，便得到图 2(d)所示的新型超高倍压耦合电感 Boost 变换器结构图。图 2(d)中变换器的组成元器件有：开关管 S1、S2，二极管 D1、D2、D3、D4、D
13、5和 Do，电容 C1、图 1 新能源发电系统 Fig.1 New energy power generation system 图 2 变换器设计流程 Fig.2 Converter design process C2、C3、C4和 Co，耦合电感 LN1、LN2、LN3。其中，线圈 LN1、LN2、LN3的匝数比为 1:n1:n2。Ug是输入电压，R 是负载电阻。双开关单元的开关管与二极管交错导通，使中间桥臂的储能电容 C1存储的能量最终又反馈到耦合电感原边线圈 LN1的两端，电容 C1与输入电源Ug一起抬高了线圈 LN1两端的电压，使变换器的增益成倍增加，但却减少了开关管的电压应力。双开
14、关单元是变换器进行超高倍压的关键，若换成传统的单开关模式，则仅电源Ug的电压降落在LN1两端，变换器的升压能力会成倍下降。张 民，袁成功，薛鹏飞，等：超高倍压耦合电感 Boost 变换器 1265 1.2 电路工作过程 图 3 是拓扑器件的工作波形图，因为电流可以反映器件完整的工作过程，所以不再分析器件电压的波形。Ts是电路的工作周期，在一个周期内，变换器主要有 4 种模式。S1、S2导通、关断同步，D是其导通的占空比，uS1,2则是其漏、源之间的电压。iLm是励磁电感 Lm的电流，iLk是流过 LN1、LN2、LN3折算到 LN1侧漏感之和 Lk的电流。iD1iD5和 iDo分别为 D1D5
15、和 Do的工作电流。iC1iC4和 iCo分别为 C1C4和 Co的工作电流。LN2、LN3分别与 C2、C3串联，因此无需再分析 LN2和 LN3的电流波形。对变换器的工作过程分析做出如下假设：(1)忽略除漏感之外变换器其他器件的寄生参数；(2)电容容量足够，电压保持不变；(3)励磁电流 iLm处于连续状态。图 4 展示了变换器的工作过程。过程 1(图 4(a)：t0t1时段，S1、S2、D4和 Do导通，D1、D2、D3和 D5关断。iLm、iLk线性增大。图 3 关键器件工作波形 Fig.3 Operating waveforms of key components Ug经 LN1、S2
16、和 S1为 C1正向充电；C2经 D4和 LN3为 C3正向充电；C4经 Do向负载侧放电。过程 2(图 4(b)：t1t2时段，D3、D5导通，D4、Do关断。Ug经 D3为 C2正向充电；C3经 LN3和 D5为 C4正向充电。图 4 电路工作过程 Fig.4 Circuit working process 1266 高电压技术 2023,49(3)过程 3(图 4(c)：t2t3时段，D1、D2导通，S1、S2关断。iLk线性减小，iLm继续线性增大。Ug经 LN1、D1和 D2为 C1反向充电。过程 4(图 4(d)：t3t4(t0)时段，D4和 Do导通，D3、D5关断。iLm、iLk线性减小。C2经 D4和 LN3为电容 C3正向充电；C4向负载侧放电。至此，一个工作周期结束，变换器进入下一工作周期。变换器稳定工作时，电容充放电能量守恒。2 直流稳态分析 2.1 电路增益 忽略耦合电感漏感和短暂的工作过程 1、3。只考虑过程 2(状态 1)和过程 4(状态 2)两种状态。状态 1(图 4(b)：S1、S2导通，D1、D2关断。根据 KVL 定律，此刻变换器有 LN1_ONg
