一种高增益低开关应力改进交错型Boost变换器
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dx Ax BVin dt Vo VC1 VC 2 Cx
（ 1）
（ c ）模式 Ⅲ
图5 Fig.5
所提变换器各工作模式等效电路
x iL1 iL 2 VC1 VC 2
0 0 A 1 d C1 0 0 0 0 1 d C2 (1 d ) L1 0 1 RC1 1 RC2
[1-12] ，其常用发电结构如图
1 所示。因为单体燃料电池或光伏电池的输出电压 较低，通常需要具有更高升压功能的直流功率变换
第 29 卷第 12 期 图1 Fig.1
胡雪峰 等
一种高增益低开关应力改进交错型 Boost 变换器
81
低压可再生能源发电基本机构图
应力 Boost 变换器（三电平 Boost 变换器）相比， 所提变换器结构除具有上述特点外，还只需要一路 独立驱动电源，这样就避免了传统三电平 Boost 变 换器需要两个独立驱动电源的要求，进而避开了基 本三电平变换器结构中上管驱动电源地电位的稳定 性会随着分压电容电压的波动而波动，对系统性能 造成的影响。
1
引言
随着人们生活水平的提高，对能源的需求量日
转换到足够高的直流链电压（ 200～400V），然后进 行逆变以供给独立交流负载，或进行并网发电。另 外在燃料电池和光伏电池发电系统中，需要尽量减 小输入电流纹波，否则将会影响电池的使用寿命，给 系统的安全可靠运行及成本的降低带来不利影响
[2,5] 。
益增长，石油、煤炭和天然气等一次能源的消耗会 排放大量的温室气体，导致全球变暖、环境污染等 严重问题。因此诸如太阳能光伏、燃料电池和风力 发电等分布式能源及其相关应用技术的研究在全球 范围得到了广泛重视
2
2.1
所提变换器结构及其工作原理
相似结构变换器的对比分析 图 2a 、图 2b是传统两相交错并联升压变换器
和具有低开关电压应力的基本三电平 Boost 变换 器的结构图，文献 [12] 提出高增益交错并联 Boost 变 换器，如图 2c 所示。 这种结构利用开关电 容与传统交错 Boost 变换器相结合，来提高电压增 益，但其结构也相应复杂，而且增加了两个二极管。 比较几种相似拓扑，可以看出这些类似结构变换Байду номын сангаас 使用元器件数量的对比关系。另外，图 2b 所示传 统低电压应力三电平 Boost 变换器的两个主开关管 是类似桥臂上下管的结构，因此必须使用两个独立 的驱动电源。
1 L2
T
（ 2）
Operating modes of the proposed converter
（ 1）模式 Ⅰ（ t 0＜ t ≤ t 1 ）。由图 4 可以看出， 电路工作在该模式时， Q 1 和 VD 2 导通， Q 2 和 VD 1 关断， 其等效电路如图 5a 所示，流过电感 L 1 的电流 i L 1 线性增加，流过电感 L 2 的电流 i L 2 线 性减小，同时电容 C 1 放电且向负载提供能量，储存 在电感 L 2 中的能量向电容 C 2 充电。 （ 2）模式 Ⅱ（ t 1＜ t ≤ t 2 ）。在该模式时的等效 电路如图 5b 所示， Q1 和 Q2 导通， VD1 和 VD2 关断， 电感 L 1 和 L 2 储存能量，流过它们的电流 i L 1 和 i L 2 线性增加， 输出功率由等效串联电 容 C 1 和 C 2 提 供。 （ 3）模式 Ⅲ（ t 2＜ t ≤ t 3 ）。由图 3 可以看出， 电路工作在该模式时， Q 1 和 D 2 关断， Q 2 和 VD 1 导 通，其等效电路如图 5c 所示，流过电感 L 1 的电流 i L 1 线性减小，流过电感 L 2 的电流 i L 2 线性增加，同 时储存在电感 L 1 中的能量向电容 C 1 充电，电容 C 2 向负载提供能量。 （ 4）模式 Ⅳ（ t 3＜ t ≤ t 4 ）。该模式时 Q 1 和 Q 2 导通， VD 1 和 VD 2 关断，电感 L 1 和 L 2 储存能量， 流过它们的电流 i L1 和 i L2 线性增加，其等效电路和 模式Ⅱ相同。 需要说明的是在交错控制策略时，该电路同样 可以工作在 占空比小于 0.5 的模式，此时两个开关 管的电压应力不再平分。对于燃料电池和光伏并网 发电等典型低压输入高压输出的应用中，变换器稳 态工作时的占空比通常要大一些，为了节省篇幅，
82
电 工 技 术 学 报
2014 年 12 月
图2 Fig.2
三种相似升压变换器拓扑结构
Comparison of three similar converter topologies
本文所提变换器的拓扑结构如图 3 所示，表面 上看，所提变换器结构比常规的交错并联 Boost 变 换器多用一个分压电容，但是，该变换器中单个电 容的容值可以大大减小；另外本文所提变换器采用 两个开关管供地的结构，因此只需一路驱动电源即 可满足两个开关管的驱动要求，同时能够避免传统 低开关电压应力三电平变换器中上管独立驱动电源 的浮动问题。几种相似结构变换器的主要性能特点 见 4.4 节中表 1 。
An Improved Interleaved Boost Converter with High Gain and Low Switch Voltage Stress
Hu Xuefeng 1,2 Dai Guorui 1 Gong Chunying 2 243002 Chen jie 2 China Nanjing Zhang jiayan1 China ） （ 1. Anhui University of Technology Ma’anshan 2. Jiangsu Key Laboratory of New 210016 Energy Generation and Power Conversion Abstract
Basic schematic of the low-level DC voltage renewable power generating system
传统的 Boost 或 Boost-Buck 变换器结构简单， 在常规 DC-DC 升压场合得到了广泛应用，但当需要 较高升压变换时，基本的 Boost 变换器就要工作在 占空比接近于 1 的理论值，一方面很大的占空比 会降低系统效率，另一方面占空比较大时输出电压 也不易升高，而且二极管的反向恢复问题也更为严 重 [8,9] 。为了有效提高直流变换器的电压增益，许多 学者提出了多种具有高升压功能的变换器拓扑结构， 文献 [11,12] 研究了串联级联式变换器或带升压变压 器的变换器，但是前者需要两级能量变换，其总体 效率等同于各级变换器效率之积，因此势必会降低 总体效率，而且增加了拓扑的复杂性，同时其稳定 性能也受到了挑战，含有变压器的升压变换器又存 在体积笨重、成本高、漏感和寄生电容等问题。 近 年来，交错并联 Boost 变换器 [2,12-14] 及其在燃料电池 和光伏发电系统中的应用得到了许多学者的深入研 究，采用交错并联方法后，其优点是可以减小输入、 输出电流纹波，改善变换器的动态响应，但其开关 管的电压应力仍然等于输出电压，而且该变换 器的 升压功能也没有得到有效改善，与基本的 Boost 变 换器相同。在高升压比应用中，为了降低开关管的 电压应力，文献 [15]研究了三电平直流变换器，其 主要特点是主功率管的电压应力等于输出电压的一 半，但其升压能力没有得到有效提升，且当输入电 压较低，而输出电压较高时，势必会造成输入电流 纹波较大，不利于应用在燃料电池和光伏电池等新 能源发电系统中。因此研究兼有高增益、低输入电 流纹波，低开关电压应力的变换器具有重要的理论 意义和应用价值。 本文提出了一种具有高电压增益、低输入电流 纹波， 低开关电压应力的全交错结构 的 Boost 变 换器，与传统的交错并联变换器结构相比，所提变 换器具有以下特点： ①具有更高的电压增益，因此 在较高升压要求时可以有效避免变换器工作在极限 占空比状态，而且利用较小的占空比达到相同的输 出电压可直接减小开关的导通损耗。 ②所提变换器 不但在输入端采用了两个电感交叉并联的结构，减 小了输入电流的纹波，而且在输出端，两个电容电 压进行了交叉串联，使得输出电压纹波进一步减小。 ③当占空比 ≥0.5 时，两个输出电容自动均压，两个 电感上的电流也自动均分。另外，与传统的低电压
（ a ）模式 Ⅰ
图4 Fig.4
关键工作波形
Key waveforms of the proposed converter
第 29 卷第 12 期
胡雪峰 等
一种高增益低开关应力改进交错型 Boost 变换器
83
本文重点讨论占空比大于 0.5 的情况。
3
本文变换器的数学模型及分析
为进一步详细 分析该变换器的各种特性，利用
210016 ）
1
（ 1. 安徽工业大学电力电子与运动控制省重点实验室 摘要
马鞍山
243002
2. 江苏省新新能源发电与电能
变换重点实验室（南京航空航天大学）
提出了一种输入输出全交错型 Boost 变换器，该变换器的两个电感电流在输入端进行
交错并联，可以减小输入电流纹波；输出端的两个分压电容可以被交错并联充电和串联放电，这 样既提高了变换器的电压增益，又减小了输出电压纹波。另外，该结构能够减小功率管的电压应 力，因此有利于选择低功率等级、高性能的开关器件，以进一步减小功率管的开关和导通损耗。 详细分析了所提变换器的工作模式和稳态特性，建立了变换器的数学模型。给出了相应隔离型全 交错变换器的电路结构。最后通过一台实验样机验证了所提变换器的有效性。 关键词： 交错 Boost 变换器 中图分类号： TM46 高增益 电压应力 电流纹波 和电压纹波
In this paper, an improved interleaved boost converter topology with a high gain is
presented. The currents of inductors are interleaved in parallel at input. The two output capacitors can be charged interleaving in parallel and discharged in series so that a high step-up voltage gain is achieved with an appropriate duty cycle. Moreover, the proposed converter structure can reduce the voltage stresses of active switches and diodes. The operating principle and the steady-state characteristics are discussed in detail to show the merits of the proposed converter, and the corresponding model is also derived. Finally, a 1kW rating prototype system is also constructed to verify the effectiveness of the proposed converter. Keywords ： Interleaved boost converter, high gain, voltage stress, current and voltage ripples 器作为接口电路，把较低的电池电压（ 18 ～ 50V ）
2014 年 12 月 第 29 卷第 12 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.29 No. 12 Dec. 2014
一种高增益低开关应力改进交错型 Boost 变 换器
胡雪峰
1,2
戴国瑞
1
龚春英
2
陈杰
南京
2
章家岩
状态平均法建立 所提变换器的平均状态数学模型， 为了方便分析，忽略电感 L 1 和 L 2 的等效串联电阻，
（ b ）模式 Ⅱ和Ⅳ
忽略电容 C 1、 C 2 的等效串联电阻，设各电感的电流 和各电容上的电压为状态变量，组成矢量为 x ，输 入变量为 V in ， d 为开关的导通占空比，输出变量为 V o ，则变换器的平均状态模型为
图3 Fig.3
本文所提变换器拓扑结构
The topology of proposed converter
2.2
所提变换器工作原理 所提变换器工作在交错控制方式，首先在输入
端进行了电感电流的交错并联，而在输出端两个分 压电容电压进行了交错并联充电和串联放电，这样 所提变换器的输入电流纹波和输出电压纹波都能得 到有效的抑制，同时该拓扑结构能够减小输入电感 和输出电容的体积。 为方便分析，假设电路工作在电感电流连续的 稳定状态，且各元器件均为理想器件，其控制操作 方式如图 4 的关键工作波形所示。 由图 4 可以看出，当占空比大于 0.5 时，根据 两个主功率管的开关状态该变换器有 4 种工作模式， 图 5 给出了各模式的等效电路，下面具体分析该控 制方式下所提变换器的工作原理。
（ 1）
（ c ）模式 Ⅲ
图5 Fig.5
所提变换器各工作模式等效电路
x iL1 iL 2 VC1 VC 2
0 0 A 1 d C1 0 0 0 0 1 d C2 (1 d ) L1 0 1 RC1 1 RC2
[1-12] ，其常用发电结构如图
1 所示。因为单体燃料电池或光伏电池的输出电压 较低，通常需要具有更高升压功能的直流功率变换
第 29 卷第 12 期 图1 Fig.1
胡雪峰 等
一种高增益低开关应力改进交错型 Boost 变换器
81
低压可再生能源发电基本机构图
应力 Boost 变换器（三电平 Boost 变换器）相比， 所提变换器结构除具有上述特点外，还只需要一路 独立驱动电源，这样就避免了传统三电平 Boost 变 换器需要两个独立驱动电源的要求，进而避开了基 本三电平变换器结构中上管驱动电源地电位的稳定 性会随着分压电容电压的波动而波动，对系统性能 造成的影响。
1
引言
随着人们生活水平的提高，对能源的需求量日
转换到足够高的直流链电压（ 200～400V），然后进 行逆变以供给独立交流负载，或进行并网发电。另 外在燃料电池和光伏电池发电系统中，需要尽量减 小输入电流纹波，否则将会影响电池的使用寿命，给 系统的安全可靠运行及成本的降低带来不利影响
[2,5] 。
益增长，石油、煤炭和天然气等一次能源的消耗会 排放大量的温室气体，导致全球变暖、环境污染等 严重问题。因此诸如太阳能光伏、燃料电池和风力 发电等分布式能源及其相关应用技术的研究在全球 范围得到了广泛重视
2
2.1
所提变换器结构及其工作原理
相似结构变换器的对比分析 图 2a 、图 2b是传统两相交错并联升压变换器
和具有低开关电压应力的基本三电平 Boost 变换 器的结构图，文献 [12] 提出高增益交错并联 Boost 变 换器，如图 2c 所示。 这种结构利用开关电 容与传统交错 Boost 变换器相结合，来提高电压增 益，但其结构也相应复杂，而且增加了两个二极管。 比较几种相似拓扑，可以看出这些类似结构变换Байду номын сангаас 使用元器件数量的对比关系。另外，图 2b 所示传 统低电压应力三电平 Boost 变换器的两个主开关管 是类似桥臂上下管的结构，因此必须使用两个独立 的驱动电源。
1 L2
T
（ 2）
Operating modes of the proposed converter
（ 1）模式 Ⅰ（ t 0＜ t ≤ t 1 ）。由图 4 可以看出， 电路工作在该模式时， Q 1 和 VD 2 导通， Q 2 和 VD 1 关断， 其等效电路如图 5a 所示，流过电感 L 1 的电流 i L 1 线性增加，流过电感 L 2 的电流 i L 2 线 性减小，同时电容 C 1 放电且向负载提供能量，储存 在电感 L 2 中的能量向电容 C 2 充电。 （ 2）模式 Ⅱ（ t 1＜ t ≤ t 2 ）。在该模式时的等效 电路如图 5b 所示， Q1 和 Q2 导通， VD1 和 VD2 关断， 电感 L 1 和 L 2 储存能量，流过它们的电流 i L 1 和 i L 2 线性增加， 输出功率由等效串联电 容 C 1 和 C 2 提 供。 （ 3）模式 Ⅲ（ t 2＜ t ≤ t 3 ）。由图 3 可以看出， 电路工作在该模式时， Q 1 和 D 2 关断， Q 2 和 VD 1 导 通，其等效电路如图 5c 所示，流过电感 L 1 的电流 i L 1 线性减小，流过电感 L 2 的电流 i L 2 线性增加，同 时储存在电感 L 1 中的能量向电容 C 1 充电，电容 C 2 向负载提供能量。 （ 4）模式 Ⅳ（ t 3＜ t ≤ t 4 ）。该模式时 Q 1 和 Q 2 导通， VD 1 和 VD 2 关断，电感 L 1 和 L 2 储存能量， 流过它们的电流 i L1 和 i L2 线性增加，其等效电路和 模式Ⅱ相同。 需要说明的是在交错控制策略时，该电路同样 可以工作在 占空比小于 0.5 的模式，此时两个开关 管的电压应力不再平分。对于燃料电池和光伏并网 发电等典型低压输入高压输出的应用中，变换器稳 态工作时的占空比通常要大一些，为了节省篇幅，
82
电 工 技 术 学 报
2014 年 12 月
图2 Fig.2
三种相似升压变换器拓扑结构
Comparison of three similar converter topologies
本文所提变换器的拓扑结构如图 3 所示，表面 上看，所提变换器结构比常规的交错并联 Boost 变 换器多用一个分压电容，但是，该变换器中单个电 容的容值可以大大减小；另外本文所提变换器采用 两个开关管供地的结构，因此只需一路驱动电源即 可满足两个开关管的驱动要求，同时能够避免传统 低开关电压应力三电平变换器中上管独立驱动电源 的浮动问题。几种相似结构变换器的主要性能特点 见 4.4 节中表 1 。
An Improved Interleaved Boost Converter with High Gain and Low Switch Voltage Stress
Hu Xuefeng 1,2 Dai Guorui 1 Gong Chunying 2 243002 Chen jie 2 China Nanjing Zhang jiayan1 China ） （ 1. Anhui University of Technology Ma’anshan 2. Jiangsu Key Laboratory of New 210016 Energy Generation and Power Conversion Abstract
Basic schematic of the low-level DC voltage renewable power generating system
传统的 Boost 或 Boost-Buck 变换器结构简单， 在常规 DC-DC 升压场合得到了广泛应用，但当需要 较高升压变换时，基本的 Boost 变换器就要工作在 占空比接近于 1 的理论值，一方面很大的占空比 会降低系统效率，另一方面占空比较大时输出电压 也不易升高，而且二极管的反向恢复问题也更为严 重 [8,9] 。为了有效提高直流变换器的电压增益，许多 学者提出了多种具有高升压功能的变换器拓扑结构， 文献 [11,12] 研究了串联级联式变换器或带升压变压 器的变换器，但是前者需要两级能量变换，其总体 效率等同于各级变换器效率之积，因此势必会降低 总体效率，而且增加了拓扑的复杂性，同时其稳定 性能也受到了挑战，含有变压器的升压变换器又存 在体积笨重、成本高、漏感和寄生电容等问题。 近 年来，交错并联 Boost 变换器 [2,12-14] 及其在燃料电池 和光伏发电系统中的应用得到了许多学者的深入研 究，采用交错并联方法后，其优点是可以减小输入、 输出电流纹波，改善变换器的动态响应，但其开关 管的电压应力仍然等于输出电压，而且该变换 器的 升压功能也没有得到有效改善，与基本的 Boost 变 换器相同。在高升压比应用中，为了降低开关管的 电压应力，文献 [15]研究了三电平直流变换器，其 主要特点是主功率管的电压应力等于输出电压的一 半，但其升压能力没有得到有效提升，且当输入电 压较低，而输出电压较高时，势必会造成输入电流 纹波较大，不利于应用在燃料电池和光伏电池等新 能源发电系统中。因此研究兼有高增益、低输入电 流纹波，低开关电压应力的变换器具有重要的理论 意义和应用价值。 本文提出了一种具有高电压增益、低输入电流 纹波， 低开关电压应力的全交错结构 的 Boost 变 换器，与传统的交错并联变换器结构相比，所提变 换器具有以下特点： ①具有更高的电压增益，因此 在较高升压要求时可以有效避免变换器工作在极限 占空比状态，而且利用较小的占空比达到相同的输 出电压可直接减小开关的导通损耗。 ②所提变换器 不但在输入端采用了两个电感交叉并联的结构，减 小了输入电流的纹波，而且在输出端，两个电容电 压进行了交叉串联，使得输出电压纹波进一步减小。 ③当占空比 ≥0.5 时，两个输出电容自动均压，两个 电感上的电流也自动均分。另外，与传统的低电压
（ a ）模式 Ⅰ
图4 Fig.4
关键工作波形
Key waveforms of the proposed converter
第 29 卷第 12 期
胡雪峰 等
一种高增益低开关应力改进交错型 Boost 变换器
83
本文重点讨论占空比大于 0.5 的情况。
3
本文变换器的数学模型及分析
为进一步详细 分析该变换器的各种特性，利用
210016 ）
1
（ 1. 安徽工业大学电力电子与运动控制省重点实验室 摘要
马鞍山
243002
2. 江苏省新新能源发电与电能
变换重点实验室（南京航空航天大学）
提出了一种输入输出全交错型 Boost 变换器，该变换器的两个电感电流在输入端进行
交错并联，可以减小输入电流纹波；输出端的两个分压电容可以被交错并联充电和串联放电，这 样既提高了变换器的电压增益，又减小了输出电压纹波。另外，该结构能够减小功率管的电压应 力，因此有利于选择低功率等级、高性能的开关器件，以进一步减小功率管的开关和导通损耗。 详细分析了所提变换器的工作模式和稳态特性，建立了变换器的数学模型。给出了相应隔离型全 交错变换器的电路结构。最后通过一台实验样机验证了所提变换器的有效性。 关键词： 交错 Boost 变换器 中图分类号： TM46 高增益 电压应力 电流纹波 和电压纹波
In this paper, an improved interleaved boost converter topology with a high gain is
presented. The currents of inductors are interleaved in parallel at input. The two output capacitors can be charged interleaving in parallel and discharged in series so that a high step-up voltage gain is achieved with an appropriate duty cycle. Moreover, the proposed converter structure can reduce the voltage stresses of active switches and diodes. The operating principle and the steady-state characteristics are discussed in detail to show the merits of the proposed converter, and the corresponding model is also derived. Finally, a 1kW rating prototype system is also constructed to verify the effectiveness of the proposed converter. Keywords ： Interleaved boost converter, high gain, voltage stress, current and voltage ripples 器作为接口电路，把较低的电池电压（ 18 ～ 50V ）
2014 年 12 月 第 29 卷第 12 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.29 No. 12 Dec. 2014
一种高增益低开关应力改进交错型 Boost 变 换器
胡雪峰
1,2
戴国瑞
1
龚春英
2
陈杰
南京
2
章家岩
状态平均法建立 所提变换器的平均状态数学模型， 为了方便分析，忽略电感 L 1 和 L 2 的等效串联电阻，
（ b ）模式 Ⅱ和Ⅳ
忽略电容 C 1、 C 2 的等效串联电阻，设各电感的电流 和各电容上的电压为状态变量，组成矢量为 x ，输 入变量为 V in ， d 为开关的导通占空比，输出变量为 V o ，则变换器的平均状态模型为
图3 Fig.3
本文所提变换器拓扑结构
The topology of proposed converter
2.2
所提变换器工作原理 所提变换器工作在交错控制方式，首先在输入
端进行了电感电流的交错并联，而在输出端两个分 压电容电压进行了交错并联充电和串联放电，这样 所提变换器的输入电流纹波和输出电压纹波都能得 到有效的抑制，同时该拓扑结构能够减小输入电感 和输出电容的体积。 为方便分析，假设电路工作在电感电流连续的 稳定状态，且各元器件均为理想器件，其控制操作 方式如图 4 的关键工作波形所示。 由图 4 可以看出，当占空比大于 0.5 时，根据 两个主功率管的开关状态该变换器有 4 种工作模式， 图 5 给出了各模式的等效电路，下面具体分析该控 制方式下所提变换器的工作原理。