0 引言

    能源危機、環境污染的日益嚴重促進了新能源的發展，以光伏、燃料電池為代表的新能源的輸出多是低壓直流電^[1]，需將其升壓逆變器后接入電網，因此，高增益直流變換器起到重要作用^[2]。

    理想情況下，傳統的Boost升壓電路在占空比接近于1時，增益可達無窮大，但由于寄生參數的影響，實際最高增益只有4～5倍^[3]，無法滿足低壓電源輸入時對增益的要求。近些年，國內外的學者在傳統直流變換器結構的基礎上提出了一系列的高增益直流變換器的拓撲，其中包括倍壓(Voltage multiplier)電路^[4]、開關電容(Switched-capacitor)電路^[5]、耦合電感(Coupled-inductor)電路^[6]、級聯(Cascaded)電路^[7]等，但它們都存在各自的缺點，如：倍壓電路結構復雜，成本高；開關電容電路增益低且不連續；耦合電感電路中，漏感易造成電壓尖峰，對器件要求高；級聯電路級數多，效率低等。另一類的高增益拓撲——Z源變換器^[8-10]，自2002年提出以來，也受到廣泛關注，其通過阻抗源將增益由Boost電路的1/(1-D)提高至1/(1-2D)，但與傳統的Boost有著同樣的缺陷，即：增益受開關管、二極管的寄生參數的影響較大。同時，已有的結構有個共同的缺陷，即輸出端需要一個耐壓和輸出電壓相同的大電容濾波，當輸出電壓越高時，輸出電容越大，不利于系統的集成。

    本文在已有直流變換器結構的基礎上，提出一種輸出電容串聯型高增益直流變換器，所有的電容和輸入電源串聯起來給負載供電，減小了電容的電壓等級，因此使得逆變器體積小型化；同時，可通過多個單元的擴展，實現更高的增益。本文從原理分析、仿真和實驗的角度驗證了提出的結構的可行性。

1 電路結構和工作原理

1.1 電路結構

    本文提出的輸出電容串聯型高增益直流變換器一般結構的電路如圖1所示，包含電源V_i、電容C₁~C₃、二極管D₁~D₅、電感L₁~L₃、開關管S和負載電阻R_o。輸入電源V_i和電容C₁~C₃串聯向負載供電，理想情況下，輸出電壓V_o=V_i/(1-D)³，其中，D為開關管S的占空比(0<D<1)。

1.2 工作原理

    高增益直流變換器的工作波形如圖2所示，一個周期包括兩種工作模態，模態1：開關管S閉合，電感L₁~L₃充電、電流C₁~C₃放電；模態2：開關管S斷開，電感L₁~L₃放電、電容C₁~C₃充電。

    為簡化分析，做如下假設：(1)電容C₁~C₃容量足夠大，電壓紋波為0；(2)電感L₁~L₃直流阻抗為0；(3)電路中半導體器件均為理想器件，即二極管正向壓降和開關管的導通電阻為0；(4)電路已經進入穩態，并且工作在CCM狀態。

    具體分析如下：

    模態1(0<t<DT)：模態1的電流回路如圖3(a)所示，開關管S閉合，二極管D₁、D₃、D₅反向偏置，二極管D₂和D₄正向導通；輸入電源V_i給電感L₁充電；輸入電源V_i和電容C₁串聯給電感L₂充電；輸入電源V_i和電容C₁~C₂串聯給電感L₃充電；輸入電源Vi和電容C₁~C₃串聯給負載供電。模態1過程中，電感L₁~L₃上的電流變換量和變換器輸出電壓分別為：

    由工作與連續狀態的電感伏秒平衡可得：模態1和模態2的電感電流的變化量相等，即：

2 參數分析與比較

2.1 電容參數設計

    選擇合適的電容值使電容上的電壓紋波滿足要求。開關管S導通期間，電容C₁~C₃和電源V_i串聯負載供電，同時電容C₁和電源串聯給電感L₂充電；電容C₁~C₂和電源串聯給電感L₃充電，則開關管S導通期間，電容C₁~C₃上的平均電流分別為：

2.2 電感參數設計

    選擇合適的電感值使電容上的電流紋波滿足要求。考慮電感上電流的波動范圍為x_L%，則電感L₁~L₃的電感值分別為：

    在后續章節的實驗和仿真中波依據式(23)~式(25)對電感進行了合適的選取。

3 實驗分析

    為了驗證所提出拓撲理論分析的正確性和可行性，設計了一臺小型的實驗樣機，其器件型號如表1所示。實驗過程的關鍵波形分別如圖4~圖6所示，具體分析如下：

    (1)由圖4可知，實驗波形和理論分析、仿真相一致。

    (2)由圖5可知，串聯電容兩端電壓分別為20 V、40 V和80 V，因此，通過實驗很好地驗證了在上述在理論和仿真分析過程中的正確性和可行性。

    (3)圖6是輸出電壓波形和放大后的輸出紋波。出于對整個樣機體積的考慮，輸出電容選用220 μF/250 V，因此存在紋波，但輸出電壓均在147.23 V到153.66 V波動，20 V DC電壓輸入下4.04%波動(在可接受范圍內)且近似160 V平穩輸出，很好地驗證了本文提出高增益電路的性能和可行性。

4 結論

    本文比較了現有直流變換器增益受寄生參數影響較大和輸出電容高耐壓的缺點，提出了高增益低電容耐壓的輸出電容串型拓撲結構。通過串聯電容和級聯Boost電路在實現相同倍數增益的拓撲結構中開關管使用最少，因此損耗更小。通過串聯結構減少了輸出電容的耐壓，使得拓撲結構更加小型化，而且具有很好的擴張性，僅需增加一個電容、電感和二極管就可以實現電壓增益指數的增加。最后，通過20 V直流輸入電壓樣機實驗證明了拓撲結構實現高增益電壓的可行性。

參考文獻

[1] PRABHALA V A K，FAJRI P，GOURIBHATLA V S P，et al.A dc-dc converter with high voltage gain and two input boost stages[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2016，31(6)：4206-4215.

[2] TANG Y，FU D，WANG T，et al.Hybrid switched-inductor converters for high step-up conversion[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2015，62(3)：1480-1490.

[3] Li Shouxiang，Zheng Yifei，Wu Bin，et al.A family of resonant two-switch boosting switched capacitor converter with ZVS operation and a wide line regulation range[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2017，33(1)：448-459.

[4] PRUDENTE M，PFITSCHER L L，EMMENDOERFER G，et al.Voltage multiplier cells applied to non-isolated dc-dc converters[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2008，23(2)：871-887.

[5] Zeng Jun，Wu Jialei，Liu Junfen.A novel high-frequency multilevel inverter with capacitors self-balancing[J].Proceedings of the CSEE，2016，36(19)：5326-5333.

[6] WAI R J，LIN C Y，DUAN R Y，et al.High-efficiency dc-dc converter with high voltage gain and reduced switch stress[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2007，54(1)：354-364.

[7] ZHANG G，ZHANG B，LI Z，et al.A3-Z-network boost converter[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2015，62(1)：278-288.

[8] PENG F.Z-source inverter[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2003，39(2)：504-510.

[9] 曾君，吳佳磊，劉俊峰.新型電容自均壓多電平高配逆變器[J].中國電機工程學報，2016，36(19)：5326-5333.

[10] TRABELSI M，ABU-RUB H，MALINOWSKI M.Finite-control-set model-predictive control for a quasi-Z-source four-leg inverter under unbalanced load condition[J].IEEETransactions on Industrial Electronics，2017，64(4)：2560-2569.

作者信息:

梁國壯，田涵雷

（河北科技大學 電氣工程學院，河北 石家莊050018）