基于开关电容网络的高增益升压变换器

种串联输入 串联 输 出 的 Boost 变 换 电 路， 但 其 只 适用 于 低 压 输 入 场 合，具 有 一 定的 应 用 价值 。 文 献[8]提出 了 一 种双 输 入 Boost 变换器，但其升压能力有限，具有一定研究价值。
文 中 先 将 开 关 电 容 网 络 与 传 统 Boost 变 换 电 路 相 结 合 ， 利用开关电容 网 络 的倍 压 特 性， 基 于 传 统 Boost 电 路 的 脉宽
感 L 两端电压为 Uin-Uc，iL 线 性 减小 ， 电 容 Ca、Cb 串联 向 负 载
供电：
U0=UCa =UCb =2Uab
（2）
图 2 等效电路图
1.3 变压比和电压、电流基本关系
根据电感的伏秒平衡原 理 ，在 占空 比 为 D 的开 关 周 期 TS 内 ，由 式 （1）和 式 （2）可 得 ：
压[1]。 传统 Boost 变 换器 在 进 行悬 殊 电 压变 换 时 ，开关 管 工 作 有 分 时 供 电 功 能 ， 通 过 两 个 网 络 中 的 电 容 电 压 相 互 累 加 输
在接近于 1 的理论值，变换器变换效率较低。 在联合并网发 出，提高了升压比以及元器件的利用率。
电 系 统 中 ，常 用 多 输 入 DC-DC 变 换 器 ，以 简 化 电 路 结 构 ，降 低成本[2]。 传统开关电容电路的输出电压受制于电路结构 ，可
Boost 电路相结合的方法。 利用开关电容网络串联放电、并联充电以及传统 Boost 电路输出电压可调的特点，设计出一
种新型基于开关电容网络的高增益升压变换器，并由此衍生一种实现分时供电的双输入升压变换器。 详细分析两种
新型变换器的工作原理，搭建仿真模型，并进行了实验研究。 仿真分析与实验结果表明：两种变换器控制电路简单；新
容网络后，其 电 压 提升 能 力 达到 传 统 Boost 电路 的 4 倍 ，升压
效 果 明 显 ， 而 开 关 管 S1 和 二 极 管 VD1、VD2、VD3 所 承 受 的 电
压应力相等， 结合公式 （1） 可知电 压 应力 均 为 输入 电 压 的
1 1-D
倍，
而开关管 S2 和二极管 VDa、VDb 所 承 受的 电 压 应力
则输出电流 I0 大小为：
I0=
4 （1-D）R
Uin
（5）
根据功率守恒原理计算出输入电感 L 电流大小为：
IL=
4 1-D
I0=
16 （1-D）2R
（6）
输入电流纹波大小为：
ΔiL=
Uin 4L
D·TS
（7）
输出电压纹波大小为：
Δu0=
Uin Biblioteka BaiduRCf
（1-D）·TS
（8）
由 式 （4）可 知 ，新 型 开 关 电 容 升 压 变 换 器 在 加 入 开 关 电
作者简介：陈 磊（1991—），男，安徽阜阳人，硕士研究生。 研究方向：电力电子与电力传动。
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《电子设计工程》2016 年第 17 期
图 1 新型开关电容网络升压变换器拓扑 格参数分别相同。 1.2 电路工作原理
假设：1）电感电流连续 ；2）电容 两 端 的电 压 保 持不 变 ；3） 所有元器件均为理想器件。
光伏发电和燃料电池发电等新能源发电技术被已经被 器。 新型变换器升压能力强，控制电路简单，且开关管电压应
广泛应用，但均存在输出电压较低的问题，需经过高升压比 力和输入输出纹波较小，工作效率较高。 接着将两个开关电
直流变换器进行升压变换，从而达到并网逆变器所需直流电 容网络相互并联，得到了一种双输入升压变换器。 该电路具
2.1 输入电源 1 单独工作 当只有输入电源 Uin1 工作时， 变换器的拓 扑 结构 和 等 效
电路如图 4（a）所示。 当开 关 管 S1、S2、S3 导通 ，开 关 管 S4 关 断 时 ，二 极 管 VD11、
VD12、VD23 截 止 ，二 极 管 VDa、VDb 导 通 ，电 容 C11 与 电 容 C22 并 联后与电容 C12 和 C21 串联，其等效电路如图 4（b）所示。 加在
DUin+（1-D）（Uin-UC）=0
（3）
经计算出输出电压 U0 大小为：
U0=
4 1-D
Uin
（4）
为输
入
电
压
的
2 1-D
倍。
2 新型双输入开关电容网络升压变换器
相邻两个开关电容网络可以通过共用一个二极管进行 并联，实 现 了多 端 口 输入 。 基 于 此特 点 ，结 合传 统 Boost 电 路 提出了一种新型双输入升压变换器，其拓扑结构如图 3 所示。
1 高增益开关电容网络升压变换器
调性较差。 如何获得实用性强的开关电容网络电路成为研究 1.1 电路拓扑结构
热点[3-5]。 文献[6]提出在 Boost 电 感释 放 能 量的 回 路 中串 联 一
将开 关 电容 网 络 结构 与 传 统 Boost 电 路 相 结合 ， 得 到 了
个电 容 以 提高 升 压 效果 ，但 电 路效 率 较 低。 文 献[7]提 出 了 一 一 种 新 型高 增 益 升压 变 换 器拓 扑 结 构 ，如 图 1 所 示 。 该 电 路
=UC
#
U =U =U =U #
" #
C0
Ca
Cb
ab
#
U#
$ C0
=UC1
+UC2
=2UC
（1）
（2）开 关 状 态 2：在 开 关 管 S1、S2 关 断 ，S3 导 通 期 间 ，二 极
管 VD0、VD1、VD2、VD3 导通，VDa、VDb 截止，等效电路如图 2（b）
所示。 此时电源 Uin 和电感 L 给电容 C1、C2 和 C3 并联充电，电
调制技术，设计出一种基于开关电容网络的高增益升压变换
收 稿 日 期 ：2015-08-30
稿 件 编 号 ：201508167
图 4 中， 开关电容网络电容 C1 和 C2， 二极 管 VD1、VD2、 VD3、VDa、VDb，开关管 S1、S2、S3，二极管电容网络 Ca 和 Cb 的 规
基 金 项 目 ：江 苏 省 自 然 科 学 基 金 （BK2012550）
经由三部分进行 升 压：电 感 L、开 关管 S1 组 成 的传 统 Boost 变 换器进行预升压； 由电容 C1、C2 与二极管 VD1、VD2 组 成 的开 关电容网络， 将电压再次升高； 最后经由二极管 VDa 和 VDb 与电容 Ca 和 Cb 组成的 二极 管 电 容网 络 实 现了 电 压 第三 次 升 高。 这 3 个升压过程是在同时进行的。
CHEN Lei， PAN Ting-long （School of Internet of Things Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）
Abstract: In existing traditional boost converters， the step-up capacity is limited， and the switch capacitor network output voltage is not adjustable. Therefore， according to the switch capacitor network working characteristics of discharging in series， charging in parallel and traditional boost converter working characteristics of adjusting output voltage， a high gain step-up converter is proposed in the paper， and its corresponding double-input boost converter which can realize time-sharing supply is deduced too. The working principles and performance of the two new types of converter are respectively given， and an experimental model is constructed. The Simulation analysis and experimental results indicates: the new high gain boost converter possesses powerful boosting ability； the control circuit of the two converter is simple； double-input boost converter can attain the implementation of power supply individually with high ratio of devices. Key words: switch capacitor network； boost converter； high gain； double-input； high ratio of devices DOI:10.14022/j.cnki.dzsjgc.2016.17.053
开 关 管 S1、S2 由 相 同 PWM 信 号 控 制 ，S3 由 与 S1 和 S2 相 互 交 错的 PWM 信 号 进行 控 制 。 输 入 、输 出 电 压 分 别 记 为 Uin 和 U0。
（1）开 关 状 态 1：在 开 关 管 S1、S2 导 通 、S3 关 断 期 间 ，二 极
管 VD0、VD1、VD2 截 止 ，VD3、VDa、VDb 导 通 ， 等 效 电 路 为 图 2
（a）所示。 输入电压 Uin 与电感 L 串联，电感储能，电流 iL 线性
增 长 ，加 在 电 感 两 端 的 电 压 为 Uin，电 容 C1 和 C2 交 叉 串 联 给
电 容 C0、Ca 和 Cb 并 联 充 电 ，负 载 由 Cf 提 供 能 量 ，电 路 中 电 压
关系为：
U!
# C1
=UC2
型高增益升压变换器升压能力强；双输入升压变换器可以实现分时供电，提高了元器件利用率。
关键词： 开关电容网络； 升压变换器； 高增益； 双输入； 元器件利用率
中图分类号： TN712.3
文献标识码： A
文 章 编 号 ：1674－6236（2016）17-0173-05
High gain step-up converter based on switch capacitor network
第 24 卷 第 17 期 Vol.24 No.17
电子设计工程 Electronic Design Engineering
2016 年 9 月 Sep. 2016
基于开关电容网络的高增益升压变换器
陈 磊，潘庭龙 （江南大学 电气自动化研究所，江苏 无锡 214122）
摘 要 ： 针 对 传 统 Boost 变 换 器 升 压 能 力 有 限 ， 而 开 关 电 容 网 络 输 出 电 压 不 可 调 问 题 ， 提 出 将 开 关 电 容 网 络 与 传 统
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图 3 新型双输入开关电容网络升压变换器 图 3 中 ，Uin1、Uin2 分 别 为 输 入 电 源 1 和 2 的 电 压 ，UL1、UL2 分 别 为电 感 L1 和 L2 两端 的 电 压。 开 关 电 容网 络 1 和 2 通 过 共用开关管 VD12 并联组成双输入网络。两网络中电容和开关 管 规 格 参 数 相 同 ，那 么 电 容 C11 和 C12 两 端 电 压 相 等 、电 容 C21 和 C22 两 端 电压 相 等 ，分别 记 为 UC1 和 UC2。 二 极 管 电容 网 络 电 容 Ca 和 Cb 两 端电 压 也 相等 ，记 Ua=Ub=Uab。 与传统的多输入变换器相比，新型双输入升压变换器使
陈 磊，等 基于开关电容网络的高增益升压变换器
开关管工作在理想范围内并同时提高了变换器升压能力，同 时减小了开关应力，降低了输入输出纹波，提高了元器件利 用率。 变换器具有分时供电特性，当只有一个电源输入时，输 入电压会自动均衡到两个开关电容网络中，然后通过两个网 络的电容叠加输出，网络中每个电容都会向负载输出一部分 电压，经过二极管电容网络实现再次升压。