新型单开关高增益Boost变换器研究
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许建平 （ 1963-） ，男，贵州籍，教授，主要从事电力电子系统的控制技术、开关电源新颖控制技术、再生能源 发电技术、移动信息设备电源管理技术等研究。
第3 期
张士宇，等： 新型单开关高增益 Boost 变换器研究
13
如图 1 所示为基于电压举升技术的单开关高增 益 Boost 变换器的原理图，它由电感 L1 、L2 ，电容 C1 、 C2 、C3 ，开关管 S 及二极管 D1 、D2 、D3 、D4 构成，其中 vg为输入电压，R 为负载。
图 3 单开关高增益 Boost 变换器直流稳态等效电路
Fig． 3 DC equivalent circuit of single switch
high gain Boost converter
图 3 中：
IS = D（ IL1 + IL2 / D）
（ 5）
VD1 = பைடு நூலகம்VC1
（ 6）
VD2 = （ 1 － D） （ VC3 － VC1 ）
=
Vo （ 2 － D）
VD3-Stress
= Vo 2 －D
VD4-Stress
=
Vo （ 2 － D）
（ 13） （ 14）
（ 15） （ 16） （ 17） （ 18） （ 19）
3 实验验证
为了验证单开关高增益 Boost 变换器的理论分 析结果，采用如表 1 所示主电路参数对本文提出的 单开关高增益 Boost 变换器进行实验分析。
参考文献 （ References） ：
［1 ］ Li Wuhua，He Xiangning． Review of nonisolated highstep-up DC-DC converters in photovoltaic grid-connected applications ［J］． IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58（ 4） ： 1239-1250．
时间段内，流经电感 L1 、L2 的电流斜率分别为：
diL1 = Vg － VC1
dt
L1
（ 3）
diL2 = VC1 + VC2 － Vo
dt
L2
（ 4）
2. 2 单开关高增益 Boost 变换器稳态特性分析
采用时间平 均 等 效 原 理［11］ 对 所 提 出 的 单 开 关
高增益 Boost 变换器进行直流稳态分析，其直流稳
4 结论
本文在结合电压举升技术升压优势及二次型变
图 4 单开关高增益 Boost 变换器增益的实验波形 Fig． 4 Experimental results of proposed single switch high gain boost converter
换器宽输入电压范围优势的基础上提出了一种新型 单开关高增益 Boost 变换器，该变换器不但具有直
（ 7）
ID3 = DIL1
（ 8）
VD4 = D（ VC3 － VC2 ）
（ 9）
当电路工作在直流稳态，电感可以看作短路，电
容可以看作开路，可得单开关高增益 Boost 变换器
电压传输比及各变量之间的关系为：
M
=
Vo Vg
=
2 －D （ 1 － D） 2
VC1
= VC2
=
1
1 －
DVg
（ 10） （ 11）
文献［6］提 出 单 开 关 二 次 型 变 换 器，仅 使 用 一 个 开 关管实现了变换器级联，简化了控制回路设计，然而 当二次型变换器输出电压较高时，其开关管的电压 应力较大； 文献［7］提出将一种新型二次型变换器 应用到两级光伏并网系统中，但其输入电流不连续 导致光伏发电系统的整体效率低。传统变换器及 Luo 变换器［8］利用电压举升技术［9］也可以改善变换 器的电压增益，拓宽了输入电压变化范围，但因其输 入电流不连续，均不适用于燃料电池及光伏发电系 统中［10］。本文在 结 合 电 压 举 升 技 术 升 压 优 势 及 二 次型变换器宽输入电压范围优势的基础上，提出了 一种新型高增益 Boost 变换器，该变换器具有电压 增益高、输入电流连续、开关管应力小等特点，适用 于两级并网系统等对变换器的输入电压变化范围要 求较宽的新能源领域。
Vo
=
VC2
=
（
2 1
－ －
D D）
2
Vg
（ 12）
14
电工电能新技术
第 32 卷
IL1
=
（ 2 － D） Vo （ 1 － D） 2R
IL2
=
（1
Vo － D） R
各开关管的电压应力为：
VS-Stress
=
Vo （ 2 － D）
VD1-Stress
=
Vo（ 1 － D） （ 2 － D）
VD2-Stress
该变换器在一个开关周期内存在两个开关工作 状态，如图 2 所示。
C1 两端电压相等时，二极管 D2 关断，二极管 D4 因承 受反向电压关断，电容 C3 向负载放电以维持输出电 压稳定。
在该工作阶段，电感电流 iL1 、iL2 的斜率分别为：
diL1 dt
=
Vg L1
（ 1）
diL2 dt
=
VC1 L2
表 1 单开关高增益 Boost 变换器主电路参数 Tab． 1 Key circuit parameters of single switch
high gain boost converter
变量 输入电压 Vg / V 储能电容 C1 / μF 储能电容 C2 / μF 滤波电容 C3 / μF 输出电压 Vo / V
第 32 卷 第 3 期 2013 年 7 月
电工电能新技术 Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy
Vol． 32，No． 3 July 2013
新型单开关高增益 Boost 变换器研究
张士宇，许建平，杨 平
( 西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031)
［3 ］ Esam H Ismail，Mustafa A Al-Saffar，Ahmad Asbzali，et al． A family of single switch PWM converters with high step-up conversion ratio ［J］． IEEE Transactions on Circuits and System，2008，55（ 4） ： 1159-1171．
摘要： 提出了一种基于电压举升技术( voltage-lift-technique) 的新型单开关高增益 Boost 变换器，不
但拓宽了 Boost 变换器输入电压范围，而且降低了开关管的电压应力，适用于输入电压变化范围较
宽的应用场合。与二次型 Boost 变换器相比，该新型 Boost 变换器的开关管电压应力低，便于选取
导通电阻较小的功率开关管，从而减小开关管的导通损耗，提高变换器的效率。本文分析了该新型
高增益 Boost 变换器的工作原理，研究了电路参数对其稳态工作特性的影响。最后通过仿真及实
验验证了理论分析的正确性。
关键词： 高增益 Boost 变换器; 电压举升技术; 稳态工作特性; DC-DC 变换器
中图分类号： TM464
本文分析了该新型单开关高增益 Boost 变换器 的工作原理，研究了电路参数对其稳态工作特性的影 响，最后通过仿真及实验验证了理论分析的正确性。
2 单开关高增益 Boost 变换器工作原理分 析
2. 1 工作过程
收稿日期： 2012-03-12 基金项目： 中央高校基本科研业务费专项资金（ SWJTU09ZT13） 、国家自然科学基金资助项目（ 51177140） 作者简介： 张士宇 （ 1988-） ，男，吉林籍，硕士研究生，研究方向为开关变换器拓扑及其控制方法；
利用变压器可以拓宽 DC-DC 变换器输入电压 变化范围［3］，但 变 压 器 的 体 积 较 大，且 其 漏 感 会 增 加系统损耗及噪声。利用耦合电感也可以提高变换 器电压增 益，拓 宽 输 入 电 压 变 化 范 围［4］，但 其 漏 感 会影响变 换 器 的 效 率，且 开 关 管 的 电 压 应 力 较 高。 文献［5］提出一种通过变换器级联实现宽输入电压 变化范围，但开关管个数繁多，控制回路设计复杂；
态等效电路如图 3 所示。
图 2 单开关高增益 Boost 变换器的 两个开关工作状态
Fig． 2 Two operation states of single-switch high gain Boost converter
工作状态 1： 开关管 S 导通时，由图 2（ a） 可知输 入电压为电感 L1 充电，电感电流 iL1 线性上升，二极 管 D1 因承受反向电压关断，二极管 D2 、D3 承受正向 电压导通，储能电容 C1 为电感 L2 充电，电感电流 iL2 线性上升； 同时储能电容 C1通过二极管 D2及开关管 S 为电容 C2 充电，当电容 C2 两端电压上升到与电容
［2 ］ 杨平，许建平，张士宇，等 （ Yang Ping，Xu Jianping， Zhang Shiyu，et al． ） ． 峰值电流控制二次型 Boost 变换 器 （ Peak current control mode for quadratic boost converter） ［J］． 电 工 技 术 学 报 （ Transactions of China Electrotechnical Society） ，2011，26（ 5） ： 101-107．
第3 期
张士宇，等： 新型单开关高增益 Boost 变换器研究
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流增益高，输入电流连续的特点，而且降低了开关管 的电压应力，以便于选取具有较小导通电阻的开关 管从而提高变换器的效率。分析了该变换器工作在 连续模式下的工作原理及其稳态特性。由实验分析 可知，新型单开关高增益 Boost 变换器具有输入电 压范围宽、效率高、输入电流连续等优势，适用于燃 料电池及光伏发电系统等新能源中。最后通过实验 验证了理论分析的正确性。
数值 12 100 6 100 60
变量 负载电阻 R /Ω 储能电感 L1 / μH 储能电感 L2 / μH 开关周期 TS / μs
数值 180 95 300 20
如图 4 所示为本文提出的新型高增益 Boost 变 换器的实验波形。由图 4（ a） 可知输入电压为 12V， 输出电压为 60V，输入电流 Iin 连续。开关管 S 的电 压波形如图 4（ b） 所示。由图 4（ b） 可知开关管应力 VS-Stress为 40V，小于输出电压，与式 （ 15 ） 结果相符。 电容 C1 及 C2 电压波形如图 4（ c） 所示，由图 4（ c） 可 知 VC1 为 22V，VC2 为 22V，电容 C2 与电容 C1 两端电 压相等，与公式（ 11） 结果相符； 二极管 D2 电压波形 如图 4（ d） 所示，由图 4（ d） 可知二极管 D2 电压应力 V 为 D2-Stress 40V，与式 （ 17） 结果相符，实验结果验证 了理论分析的正确性。
图 1 单开关高增益 Boost 变换器原理图 Fig． 1 Topology of single switch high gain Boost converter
为了简化分析，假设开关管、二极管、电感、电容 均为理想元件，开关变换器的开关频率 fS 远大于开 关变换器的最大特征频率，则在一个开关周期 TS = 1 / fS 内，输入电压保持不变。设在一个开关周期内， D 为开关导通时间占空比，并且所有电感均工作在 连续模式。
文献标识码： A
文章编号： 1003-3076（ 2013） 03-0012-04
1 引言
随着能源需求日益增加以及传统化石能源所引 起的环境问题日趋严重，人们开始关注新型能源的 发展和利用。然而由太阳能电池板及燃料电池等新 能源构成的微网及并网系统，对 DC-DC 变换器输入 电压范围提出了更高的要求［1］。开关 DC-DC 变换 器的宽输入电压范围特性可通过调节开关管的占空 比来实现［2］。为了使传统开关 DC-DC 变换器在较 宽输入电压范围内保持输出电压恒定，需要使占空 比在较大范围变化，导致控制器设计复杂，系统稳定 性较差等问题。此外，为保证开关管的有效导通和 关断，防止 开 关 管 直 通 现 象，必 须 限 制 开 关 管 的 最 大、最小占空比，进而制约传统开关 DC-DC 变换器 实现宽输入电压范围的直流传输比。
（ 2）
工作状态 2： 开关管 S 断开时，由图 2（ b） 可知电
感 L2 及电容 C2 向电容 C3 放电，电感电流 iL2 线性下
降，二极管 D4 承受正向电压导通，二极管 D1 承受正向
电压导通，电感 L1 向电容 C1 及电感 L2 放电，电感电流
iL1线性下降，二极管 D2 、D3 承受反向电压关断。在此
第3 期
张士宇，等： 新型单开关高增益 Boost 变换器研究
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如图 1 所示为基于电压举升技术的单开关高增 益 Boost 变换器的原理图，它由电感 L1 、L2 ，电容 C1 、 C2 、C3 ，开关管 S 及二极管 D1 、D2 、D3 、D4 构成，其中 vg为输入电压，R 为负载。
图 3 单开关高增益 Boost 变换器直流稳态等效电路
Fig． 3 DC equivalent circuit of single switch
high gain Boost converter
图 3 中：
IS = D（ IL1 + IL2 / D）
（ 5）
VD1 = பைடு நூலகம்VC1
（ 6）
VD2 = （ 1 － D） （ VC3 － VC1 ）
=
Vo （ 2 － D）
VD3-Stress
= Vo 2 －D
VD4-Stress
=
Vo （ 2 － D）
（ 13） （ 14）
（ 15） （ 16） （ 17） （ 18） （ 19）
3 实验验证
为了验证单开关高增益 Boost 变换器的理论分 析结果，采用如表 1 所示主电路参数对本文提出的 单开关高增益 Boost 变换器进行实验分析。
参考文献 （ References） ：
［1 ］ Li Wuhua，He Xiangning． Review of nonisolated highstep-up DC-DC converters in photovoltaic grid-connected applications ［J］． IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58（ 4） ： 1239-1250．
时间段内，流经电感 L1 、L2 的电流斜率分别为：
diL1 = Vg － VC1
dt
L1
（ 3）
diL2 = VC1 + VC2 － Vo
dt
L2
（ 4）
2. 2 单开关高增益 Boost 变换器稳态特性分析
采用时间平 均 等 效 原 理［11］ 对 所 提 出 的 单 开 关
高增益 Boost 变换器进行直流稳态分析，其直流稳
4 结论
本文在结合电压举升技术升压优势及二次型变
图 4 单开关高增益 Boost 变换器增益的实验波形 Fig． 4 Experimental results of proposed single switch high gain boost converter
换器宽输入电压范围优势的基础上提出了一种新型 单开关高增益 Boost 变换器，该变换器不但具有直
（ 7）
ID3 = DIL1
（ 8）
VD4 = D（ VC3 － VC2 ）
（ 9）
当电路工作在直流稳态，电感可以看作短路，电
容可以看作开路，可得单开关高增益 Boost 变换器
电压传输比及各变量之间的关系为：
M
=
Vo Vg
=
2 －D （ 1 － D） 2
VC1
= VC2
=
1
1 －
DVg
（ 10） （ 11）
文献［6］提 出 单 开 关 二 次 型 变 换 器，仅 使 用 一 个 开 关管实现了变换器级联，简化了控制回路设计，然而 当二次型变换器输出电压较高时，其开关管的电压 应力较大； 文献［7］提出将一种新型二次型变换器 应用到两级光伏并网系统中，但其输入电流不连续 导致光伏发电系统的整体效率低。传统变换器及 Luo 变换器［8］利用电压举升技术［9］也可以改善变换 器的电压增益，拓宽了输入电压变化范围，但因其输 入电流不连续，均不适用于燃料电池及光伏发电系 统中［10］。本文在 结 合 电 压 举 升 技 术 升 压 优 势 及 二 次型变换器宽输入电压范围优势的基础上，提出了 一种新型高增益 Boost 变换器，该变换器具有电压 增益高、输入电流连续、开关管应力小等特点，适用 于两级并网系统等对变换器的输入电压变化范围要 求较宽的新能源领域。
Vo
=
VC2
=
（
2 1
－ －
D D）
2
Vg
（ 12）
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电工电能新技术
第 32 卷
IL1
=
（ 2 － D） Vo （ 1 － D） 2R
IL2
=
（1
Vo － D） R
各开关管的电压应力为：
VS-Stress
=
Vo （ 2 － D）
VD1-Stress
=
Vo（ 1 － D） （ 2 － D）
VD2-Stress
该变换器在一个开关周期内存在两个开关工作 状态，如图 2 所示。
C1 两端电压相等时，二极管 D2 关断，二极管 D4 因承 受反向电压关断，电容 C3 向负载放电以维持输出电 压稳定。
在该工作阶段，电感电流 iL1 、iL2 的斜率分别为：
diL1 dt
=
Vg L1
（ 1）
diL2 dt
=
VC1 L2
表 1 单开关高增益 Boost 变换器主电路参数 Tab． 1 Key circuit parameters of single switch
high gain boost converter
变量 输入电压 Vg / V 储能电容 C1 / μF 储能电容 C2 / μF 滤波电容 C3 / μF 输出电压 Vo / V
第 32 卷 第 3 期 2013 年 7 月
电工电能新技术 Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy
Vol． 32，No． 3 July 2013
新型单开关高增益 Boost 变换器研究
张士宇，许建平，杨 平
( 西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031)
［3 ］ Esam H Ismail，Mustafa A Al-Saffar，Ahmad Asbzali，et al． A family of single switch PWM converters with high step-up conversion ratio ［J］． IEEE Transactions on Circuits and System，2008，55（ 4） ： 1159-1171．
摘要： 提出了一种基于电压举升技术( voltage-lift-technique) 的新型单开关高增益 Boost 变换器，不
但拓宽了 Boost 变换器输入电压范围，而且降低了开关管的电压应力，适用于输入电压变化范围较
宽的应用场合。与二次型 Boost 变换器相比，该新型 Boost 变换器的开关管电压应力低，便于选取
导通电阻较小的功率开关管，从而减小开关管的导通损耗，提高变换器的效率。本文分析了该新型
高增益 Boost 变换器的工作原理，研究了电路参数对其稳态工作特性的影响。最后通过仿真及实
验验证了理论分析的正确性。
关键词： 高增益 Boost 变换器; 电压举升技术; 稳态工作特性; DC-DC 变换器
中图分类号： TM464
本文分析了该新型单开关高增益 Boost 变换器 的工作原理，研究了电路参数对其稳态工作特性的影 响，最后通过仿真及实验验证了理论分析的正确性。
2 单开关高增益 Boost 变换器工作原理分 析
2. 1 工作过程
收稿日期： 2012-03-12 基金项目： 中央高校基本科研业务费专项资金（ SWJTU09ZT13） 、国家自然科学基金资助项目（ 51177140） 作者简介： 张士宇 （ 1988-） ，男，吉林籍，硕士研究生，研究方向为开关变换器拓扑及其控制方法；
利用变压器可以拓宽 DC-DC 变换器输入电压 变化范围［3］，但 变 压 器 的 体 积 较 大，且 其 漏 感 会 增 加系统损耗及噪声。利用耦合电感也可以提高变换 器电压增 益，拓 宽 输 入 电 压 变 化 范 围［4］，但 其 漏 感 会影响变 换 器 的 效 率，且 开 关 管 的 电 压 应 力 较 高。 文献［5］提出一种通过变换器级联实现宽输入电压 变化范围，但开关管个数繁多，控制回路设计复杂；
态等效电路如图 3 所示。
图 2 单开关高增益 Boost 变换器的 两个开关工作状态
Fig． 2 Two operation states of single-switch high gain Boost converter
工作状态 1： 开关管 S 导通时，由图 2（ a） 可知输 入电压为电感 L1 充电，电感电流 iL1 线性上升，二极 管 D1 因承受反向电压关断，二极管 D2 、D3 承受正向 电压导通，储能电容 C1 为电感 L2 充电，电感电流 iL2 线性上升； 同时储能电容 C1通过二极管 D2及开关管 S 为电容 C2 充电，当电容 C2 两端电压上升到与电容
［2 ］ 杨平，许建平，张士宇，等 （ Yang Ping，Xu Jianping， Zhang Shiyu，et al． ） ． 峰值电流控制二次型 Boost 变换 器 （ Peak current control mode for quadratic boost converter） ［J］． 电 工 技 术 学 报 （ Transactions of China Electrotechnical Society） ，2011，26（ 5） ： 101-107．
第3 期
张士宇，等： 新型单开关高增益 Boost 变换器研究
15
流增益高，输入电流连续的特点，而且降低了开关管 的电压应力，以便于选取具有较小导通电阻的开关 管从而提高变换器的效率。分析了该变换器工作在 连续模式下的工作原理及其稳态特性。由实验分析 可知，新型单开关高增益 Boost 变换器具有输入电 压范围宽、效率高、输入电流连续等优势，适用于燃 料电池及光伏发电系统等新能源中。最后通过实验 验证了理论分析的正确性。
数值 12 100 6 100 60
变量 负载电阻 R /Ω 储能电感 L1 / μH 储能电感 L2 / μH 开关周期 TS / μs
数值 180 95 300 20
如图 4 所示为本文提出的新型高增益 Boost 变 换器的实验波形。由图 4（ a） 可知输入电压为 12V， 输出电压为 60V，输入电流 Iin 连续。开关管 S 的电 压波形如图 4（ b） 所示。由图 4（ b） 可知开关管应力 VS-Stress为 40V，小于输出电压，与式 （ 15 ） 结果相符。 电容 C1 及 C2 电压波形如图 4（ c） 所示，由图 4（ c） 可 知 VC1 为 22V，VC2 为 22V，电容 C2 与电容 C1 两端电 压相等，与公式（ 11） 结果相符； 二极管 D2 电压波形 如图 4（ d） 所示，由图 4（ d） 可知二极管 D2 电压应力 V 为 D2-Stress 40V，与式 （ 17） 结果相符，实验结果验证 了理论分析的正确性。
图 1 单开关高增益 Boost 变换器原理图 Fig． 1 Topology of single switch high gain Boost converter
为了简化分析，假设开关管、二极管、电感、电容 均为理想元件，开关变换器的开关频率 fS 远大于开 关变换器的最大特征频率，则在一个开关周期 TS = 1 / fS 内，输入电压保持不变。设在一个开关周期内， D 为开关导通时间占空比，并且所有电感均工作在 连续模式。
文献标识码： A
文章编号： 1003-3076（ 2013） 03-0012-04
1 引言
随着能源需求日益增加以及传统化石能源所引 起的环境问题日趋严重，人们开始关注新型能源的 发展和利用。然而由太阳能电池板及燃料电池等新 能源构成的微网及并网系统，对 DC-DC 变换器输入 电压范围提出了更高的要求［1］。开关 DC-DC 变换 器的宽输入电压范围特性可通过调节开关管的占空 比来实现［2］。为了使传统开关 DC-DC 变换器在较 宽输入电压范围内保持输出电压恒定，需要使占空 比在较大范围变化，导致控制器设计复杂，系统稳定 性较差等问题。此外，为保证开关管的有效导通和 关断，防止 开 关 管 直 通 现 象，必 须 限 制 开 关 管 的 最 大、最小占空比，进而制约传统开关 DC-DC 变换器 实现宽输入电压范围的直流传输比。
（ 2）
工作状态 2： 开关管 S 断开时，由图 2（ b） 可知电
感 L2 及电容 C2 向电容 C3 放电，电感电流 iL2 线性下
降，二极管 D4 承受正向电压导通，二极管 D1 承受正向
电压导通，电感 L1 向电容 C1 及电感 L2 放电，电感电流
iL1线性下降，二极管 D2 、D3 承受反向电压关断。在此