一种高增益交错耦合电感直流变换器

电压增益、低开关电压应力、低输入电流纹波的直
流变换器具有重要的理论意义和应用价值。
本文采用两个耦合电感，提出一种新型输入/
输出均为交错结构的直流−直流升压型变换器，并
通过实验验证理论分析的可行性。
1 所提变换器结构及其工作原理
1.1 拓扑结构 高增益交错耦合电感直流−直流变换器的拓扑
结构如图 2(a)所示。图中：S1、S2 为主开关管，每 个耦合电感的同名端分别用“·”和“*”标注；耦合电
光伏电池
Βιβλιοθήκη BaiduPV
燃料电池
高增益直
等低压可
流直流升
再生能源
压变换器
逆变器+滤 波器
电网
18~48VDC
燃料电池
储能电池
双向直流 直流变换
器
图 1 低压可再生能源并网发电基本结构图
Fig. 1 Basic schematic of the low-level DC voltage
renewable power generating system
感可等效为 1 个激磁电感、1 个理想变压器及 1 个
漏感的并联结构；Lm 和 Lk 分别为耦合电感的激磁 电感和漏感；NP 和 NS 分别为耦合电感的原边及副 边 的 绕 组 ， 等 效 电 路 如 图 2(b) 所 示 。 其 中 ：
NS1:NP1=NS2:NP2=N；D1、D2 不但承担续流二极管的 任务，而且实现了主开关管的电压钳位，同时将耦
结构中开关管电压应力仍然较高。利用软开关技术
虽然可以解决上述问题[15]，但增加了主电路和控制
电路的复杂性，进而增加系统成本。文献[13-17]采
用耦合电感、交错并联、开关电容等技术，实现了
高增益、高效率变换，但存在开关管不共地、驱动
控制电路复杂等问题。由此可以看出，针对光伏、
燃料电池等低压可再生能源发电系统，研究兼有高
一种高增益交错耦合电感直流变换器
胡雪峰 1，龚春英 1，陈杰 1，王琳 2
(1．江苏省新能源发电与电能变换重点实验室（南京航空航天大学），江苏省 南京市 210016； 2．安徽工业大学电力电子与运动控制重点实验室，安徽省 马鞍山市 243002)
A High Gain Interleaved Coupled-inductor DC/DC Converter
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[10,12]研究了串联级联式直流升压变换器或 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
第3期
胡雪峰等：一种高增益交错耦合电感直流变换器
381
200~400 VDC
关键词：高增益；交错型；耦合电感； 直流变换器；电压 和电流应力；拓扑
0 引言
近年来，随着石油、煤炭和天然气等一次性化 石能源的日益枯竭，及消耗化石能源所带来的环境 污染日益严重等问题，世界各国都在大力开发新型 可再生清洁能源，因此诸如太阳能光伏、燃料电池 等可再生能源并网发电及其相关应用技术的研究在 全球范围得到了广泛重视[1-11]，其常用结构如图 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器作为 接口电路把较低的电池电压(18~50 V)转换到足够高 的直流链电压(200~400 V)，然后进行逆变以进行并 网发电，或供给独立交流负载。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[1-4,6]。
尖峰过高，严重时击穿开关管，因此采用单独反激
变压器不易高效率地传输能量。近年来，交错并联
Boost 变换器[2,13-17]及其在燃料电池和光伏发电系
统中得到了许多学者的广泛关注，采用交错并联方
式后，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。然而，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
Lk2 S1 S2
iC2 + C2 − UC2
iD2
D3
iD3
iC3 C3 −+ UC3
+ R Uo
−
D2 (b) 等效电路
图 2 变换器拓扑结构 Fig. 2 Proposed converter topology
1.2 所提变换器工作原理 与大多数隔离型交错式 Boost 变换器类似，
该变换器必须工作在占空比大于 0.5 的状态，以确 保副边绕组直流电压源特性的实现。变换器的关 键工作波形如图 3 所示，两个主开关管 S1 和 S2
第 34 卷 第 3 期 380 2014 年 1 月 25 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.34 No.3 Jan.25, 2014 ©2014 Chin.Soc.for Elec.Eng.
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.03.008 文章编号：0258-8013 (2014) 03-0380-07 中图分类号：TM 46
HU Xuefeng1, GONG Chunying1, CHEN Jie1, WANG Lin2
(1. Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion (Nanjing University of Aeronautics & Astronautics),
合电感的漏感能量传输到输出电容 C1、C2 上；两 个耦合感的副边串联后与二极管 Dr 和电容 Cr 一起 构成倍压电路，进一步提升变换器的电压增益，而
且有利于减小每个耦合感的功率等级，减小功率器
件的电压应力。
Np1
* Np2
Lm2 iLm2
Iin
+
Uin
S1
−
* Ns2
Ns1 iD1
Cr −+
iCr Dr
结构中，使用两个交错串联的输出电容，它们既能回收利用 耦合电感的漏感能量，又能钳位开关管的漏源电压，减小开 关管电压应力，因此，有利于选择低导通电阻、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。另外，耦合 电感的漏感可使主开关管零电流开通，同时漏感也能控制二 极管关断电流的下降率，大大减轻二极管的反向恢复问题。 论文详细分析所提变换器的工作原理和稳态特性，最后通过 一台实验样机验证了理论分析的正确性。
Nanjing 210016, Jiangsu Province, China; 2. Anhui University of Technology, Manshan 243002, Anhui Province, China)
ABSTRACT: A novel high step-up interleaved dc-dc converter topology with two coupled-inductors is presented for low input voltage and high input current applications, such as photovoltaic and fuel cell generation systems. In the proposed converter, the primary currents of two coupled-inductors are interleaved in parallel at input, which reduces the input current ripple. The secondary sides of two coupled-inductors are connected in series with a capacitor for a double voltage cell to improve the voltage gain further. Moreover, this structure can also reduce the voltage/current stresses of active switches and diodes. The leakage energy can also be recycled by the two output capacitors, which are charged interleaving in parallel and discharged in series. In addition, the reverse-recovery problems of diodes are alleviated significantly by the leakage inductance. The operating principle and the steady-state characteristics are discussed in detail to show the merits of the presented converter and the corresponding model is also derived. Finally, a rating prototype system is constructed to verify the effectiveness of the proposed converter.
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。反激变换器电路简
单，在中小功率场合获得了广泛的应用，通过调整
反激变压器的匝比可实现高电压增益，但在低压输
入高压输出应用场合，变压器原边匝数很少，导致
变压器漏感所占激磁电感的比例明显增大，漏感不
仅导致变换效率降低，同时会引起开关管关断电压
得到有效改善，与基本的 Boost 变换器相同。文献[6]
把耦合电感应用到传统交错并联 Boost 变换器中，
提高了变换器的电压增益，同时使用有源钳位方法
抑制了开关管的关断电压尖峰，但增加了电路结构
及其控制方法的复杂性。文献[13]提出利用交错并联
Flyback 变换器来改善变换器的电压变比，但该电路
KEY WORDS: high gain; interleaved; coupled inductor; DC/DC converter; voltage/current stress; topology
摘要：提出一种高增益交错耦合电感直流-直流升压变换器， 适用于低输入电压、高输入电流的低压可再生能源发电系统 应用场合，如光伏/燃料电池发电系统。该变换器在输入端 把两个耦合电感的原边电流进行交错并联，减小了输入电流 和输出电压纹波；两个耦合电感的副边串联后再与一电容相 结合组成倍压单元，进一步提高变换器的电压增益。该电路
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中国电机工程学报
第 34 卷
ugs1
ugs2 uDS1 uDS2
Iin iLK1 iLK2 iD1 iD2
iDr iD3 iC1 iC2
iCr iC3
t0 t1 t2
t3 t4 t5 t6
t7 t0′ t1′ t2′
图 3 关键工作波形
iDr
D1 iC1 + C1 −
iC2 +
S2
C2 −
iD2
D3
iD3
C3 −+
iC3 +
R Uo −
D2 (a) 基本结构
* Ns2
UCr
−+ iCr
Dr
Np1
iLk1
Ns1
D1
iDr
iLm1 Lm1
Lk1
+ ULm1 −
* Np2 iLk2
iD1 iC1 C1
+ −UC1
Iin iLm2
+ ULm2 Uin −
基金项目：江苏省高校优势学科建设工程项目资助；国家自然科 学 基 金 项 目 (61201109) ； 安 徽 省 教 育 厅 自 然 科 学 重 点 研 究 项 目 资 助 (KJ2012A048)。
A Project Funded by the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions; Project Supported by National Natural Science Foundation of China (61201109); Natural Science Foundation of Anhui Educational Committee (KJ2012A048).