第４２卷第】ｌ期 ２００８年ｌ】月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．４２．Ｎｏ．１１ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，２００８ 一种新型Ｂｏｏｓｔ变换器 李鹏飞，蒋 赢，陈宗祥，潘俊民 （ｊ一海交通大学，上海２００２４０） 摘要：将串并联二极管电容网络与传统Ｂｏｏｓｔ升压电路相结合，提出一种新型的Ｂｏｏｓｔ电路。与传统的Ｂｏｏｓｔ电路以 及其他类型的升压电路相比较，新型电路具有较明显的优势，在不提高对器件要求的同时，有效地提高了升压比，可 实现更大的功率变换，在同样的电压变比条件下，有更高的效率。分析了新型Ｂｏｏｓｔ电路的工作原理，并进行了实验 验证 实验表明，该新型Ｂｏｏｓｔ变换器结构简单，性能优良．具有实用价值 关键词：变换器／Ｂｏｏｓｔ电路：开关电容网络 中图分类号：ＴＭ４６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００一ｌＯＯＸ（２００８）１１—００３７—０３ Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｂｏｏｓｔ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ＬＩ Ｐｅｎｇ—ｆｅｉ，ＪＩＡＮＧ Ｙｉｎｇ，ＣＨＥＮ Ｚｏｎｇ—ｘｉａｎｇ，ＰＡＮ Ｊｕｎ－ｍｉｎ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｔ ｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｏｖｅｌ ＤＣ—ＤＣ Ｂｏｏｓｔ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂｙ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｓｅｒｉｅｓ—ｐａｒａｌｌｅｌ ｄｉｏｄｅ—ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｓｅｔ ｗｉｔｈ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＤＣ・ＤＣ Ｂｏｏｓｔ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＤＣ—ＤＣ Ｂｏｏｓｔ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｖｏｌｔａｇｅ・ｌｉｔｆ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ，ｔｈｅ ｎｏｖｅｌ ｃｏｎ・ ｖｅｒｔｅｒ ｈａｓ ｌｏｔｓ ｏｆ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ．Ｗｉｔｈｏｕｔ ｈｉｇｈｅｒ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｄｅｖｉｃｅｓ．ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｌｉｔｆ—ｒａｔ— ｉｎｇ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ．Ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｖｅｒｉｉｆｅｄ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｎｏｖｅｌ Ｂｏｏｓｔ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｈａｓ ａ ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｇｏｏｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ／Ｂｏｏｇｔ ｃｉｒｃｕｉｔ；ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ 、 １ 引 言 传统Ｂｏｏｓｔ变换器以其结构简单．易实现等优 点。而广泛应用于升压场合Ｉ 。光伏发电系统中，光 伏阵列电池的输出电压较低，迫切需要较大的升压 其中选取同样规格参数的ＶＤ。，ＶＤ：和Ｃ ，Ｃ：，以满 足Ｃ，＝Ｃ ＝Ｃ。 通过ＶＤ。，ＶＤ 分别控制Ｃ。，Ｃ２能量的 流动方向，而Ｃ ，Ｃ 作为能量传递的中间环节从电 源 与电感Ｌ获得能量，并传送到负载。二极管电 容网络之后的ＶＤ能够保证电能的单向流动。 来满足后级逆变器的需要Ｉ 为了提高变换器的变换 能力、可调范围和效率。对传统的Ｂｏｏｓｔ变换器进行 了改进。在非隔离式升压电路中，Ｐｕｓｈ—Ｐｕｌｌ ＳＣ Ｂｏｏｓｔ 变换器以较大的升压特性成为经典改进拓扑之一 。 采用隔离式高频变压器的升压变换器也被广泛研究 赫 和应用，而该类拓扑都存在电路结构和控制方法较 为复杂等不足，故提出了一种新型Ｂｏｏｓｔ电路，它在 传统Ｂｏｏｓｔ电路的基础上添加了两组二极管和电 容．与传统Ｂｏｏｓｔ电路的开关管构成一个开关电容 网络。该拓扑具有结构简单、控制简便、升压范围大、 效率高等优点 分析了该新型Ｂｏｏｓｔ变换器工作在 图１ 新型Ｂｏｏｓｔ电路及其工作模态 在电感电流连续的情况下，电路有两种工作模 输入电感电流连续状态下的情况。并通过实验对其 进行了验证 态，如图ｌｂ，ｃ所示。在以下工作模态分析中，设 为 一个开关周期 内开关管的导通时间， 为 内开 ２新型Ｂｏｏｓｔ变换器及工作原理 ２．１新型Ｂｏｏｓｔ变换器工作模态分析 关截止时间，ｄ为开关管占空比。其中Ｔｏ．＝ｄＴ￣， ＝ （１－ｄ）Ｔ￣。电压 与电流 表示相应物理量的暂态参 数。电压 与电流，表示相应物理量的稳态平均值。 （１）工作模态１开关管ＶＳ导通，二极管ＶＤ 图１示出新型Ｂｏｏｓｔ电路及其工作模态。基本拓 扑结构如图１ａ所示．相比传统Ｂｏｏｓｔ变换器，在开关 管ＶＳ与二极管ＶＤ之间加入…个开关二极管电容 网络，由器件ＶＤ ，Ｃ ，ＶＤ ，ｃ２及其开关管ＶＳ组成。 定稿日期：２００８—０７—２３ 导通，ＶＤ ，ＶＤ 截止，如图ｌｂ所示。电源电压 加 到升压电感 上，电感电流 线性增加。Ｌｄｉｚ／ｄｔ＝Ｕ￣。 当￡＝Ｔｏｏ＝ｄＴ￣时， 达到最大值 。在ＶＳ导通期间， ｉ，的增量为： 作者简介：李鹏飞（１９８４一），男，研究生，研究方向为电力电子 与电力传动。 ＡｉＬ＋：￣－ ＝ Ｌ Ｌ （１） ３７ 第４２卷第１１期 ２００８年１１月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．４２，Ｎｏ．１１ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，２００８ ＶＤｌ 一ｄ—Ｃｌ回路中，Ｃ 两端电压为＋ｕｃ。，而 ＶＤｌ则被＋ｕｃ 筘制关断；同理，在Ｃ２— — 一ＶＤ 回 路中，ＶＤ 被＋ｕｃ２筘制关断。此时ｃ ，Ｃ２串联经ＶＤ对 Ｃ充电，同时对负载Ｒ 供电。回路为６一Ｃ 一 Ｃｌ—ａ—ＶＤ—ＣＩＩＲＬ－ｂ。此时Ｕｏ＝ｌｔ出，Ｕ出－－Ｕｃ１＋Ｈ晓，当Ｃｌ＝Ｃ２ 时， ｃ１＝“ ｃ１－２＇Ｕｏ＝Ｕｄ，－２ｕ邮，则电压传递系数为： Ｋ ＝ ＵＣＩ２ ，根据关系式（９），（１０），可得工作模态一中，ＶＤ 的最大导通电流为： Ｉｖ￣，＝－Ａｉ＇ｃ￣２＝－２Ｉ＇ｃｌ２＝ ．，（１ １） 通过ｖＳ的电流平均值为： ｖｓ＝ｄｈ－（１－ｄ）／＂Ｃ１．２＝ ，０ （１２） ＝２ （２） 工作模态一中，ＶＳ的电流由 。。。和 组成，当△ 较小的时候。ＶＳ的电流最大值为： ：（２）工作模态２ ＶＳ关断，ＶＤ截止，ＶＤ ，ＶＤ 导通，如图ｌｃ所示。此时，／．ｔｉ与 分别通过ＶＤ。，ＶＤ： ｈ－Ａｉｔ ： ＋孕 （１３） 对Ｃｌ，ｃ２充电。加在 上的电压为／Ｚｉ－Ｕｃ１．２’而 ｉ＜Ｍｃ１． ２，故 线性减小，ＬｄｉＪｄｔ＝ｕ 一Ｍｃ －２。经Ｔｏａ＝（１－ｄ）Ｔ￣后， ｉ 达到最小值 。在ＶＳ关断期，ｉ 的减小量为： Ａ／Ｌ＿＝ （１－ｄ）Ｔ． （３） 稳态工作时，在每个 内ＡｉＬ＋＝Ａｉ ，根据式（１）和 式（３）。可得到前级开关电容网络上电压传递系数为： Ｋ ＝ Ｕｉ ＝÷ ｌ一口 （４） 在该工作模态下Ｕｄ￣－／Ａｃｔ－￣ｌ－Ｚｃ２－ＵＣＩ，２ ＶＤ截止，Ｃ放 电来维持输出电压／Ｌ ，。此后ＶＳ导通，开始另一个开 关周期。根据式（２）和（４），可以得到整个电路的升压 变比关系为： Ｋ Ｋ”：Ｔ 丁 （５） ２．２新型Ｂｏｏｓｔ变换器参数分析与计算 根据式（５）可知输入电流值： ，ｉ＝厶＝Ｔ±丁厶 （６） 电感电流的脉动量： ＡｉＬ＝ 等 ＝ ＝ （７） 工作模态二中得到ＶＤ ，ＶＤ 的最大导通电流： ，ｖＤ 一＝，Ⅷ ＝吉（ 丢△ｉＬ）＝ ，０＋ （８） 在工作模态一中，在ＶＳ开通时瞬间 。大的主 要原因是由于Ｃ。，Ｃ 对Ｃ充电时，ＶＤ两侧电容电压 不对等造成的瞬间冲击，功率不大的情况下，可忽略 这个瞬间冲击。可认为工作模态一中ｉ。 ． 对Ｃ充电过 程是一个线性下降的过程，稳态时，该电流在工作模 态一中从最大值降到零，， 伽的变化量： △ ｃ１．２＝２１ ｃＩ．２ （９） 式中：， 为工作模态一中电容上的平均电流；ＡＩ ：为电容 电流脉动量。 整个工作周期内ＶＤ上平均电流，ｖＤ＝，０，这部分 电流也要经过Ｖｓ从ｃ ，ｃ：传递到负载。Ｃ．，ｃ。储能 满足关系式： ｄＩ＇ｃｌ，２＝一（１－ｄ）ｌ＂ｃ￣，２＝－ＩｖＩ］＝－１ｏ （１Ｏ） 式中：，。。．：为工作模态二中的电容平均电流。 ３８ ＶＳ与ＶＤ。，ＶＤ：承受的电压应力均为ＵＣＩ，２ ＶＤ 承受的电压应力为Ｕｏ－ｔｔ ，稳态时 一 ＝２ ，可 知以上４个器件承受的电压应力为： ｓ＝ ｏ ，ｖＤ２，ｖＤ＝ （１４） 由关系式（８），（１Ｏ），（１３）可得ＶＤ，，ＶＤ ，ＶＤ以 及ＶＳ的最大电流应力，式（１４）即为二极管ＶＤ，， ＶＤ２，ＶＤ和开关管ＶＳ的电压应力。 ２．３新型Ｂｏｏｓｔ变换器输入输出特性分析 输入电流脉动为： Ａｉｉ＝Ａｉ，：－ （１５） ＬＬＪ 工作模态二中，Ｃ ，Ｃ：电压脉动为： ＡＵｃＩ２： －－ ＝ ，寿‘亩，０（卜ｄ） 击（１６） 在工作模态一中考虑输出电容Ｃ的电压脉动， 从能量传递角度考虑，流入和流出ＶＤ的电量守恒， 即ＡＱｃ１．２＋ＡＱｃ＋ＡＱ魁＝０，另有ａＱｃＩ．２＝－２Ｃ１，２Ａ ｌ＇２， ＡＱｃ＝ＣＡｕｏ和△Ｑ础＝，０ ，在该模态中，Ｃ。，Ｃ 放电，对 Ｃ充电，以充电为正，则ａＱ 为负，△Ｑ。为正。得到 一２Ｇ１．２△ １．２＋ＣＡ ＋，ｌ】 ＝０，可得输出电压脉动： －Ａｕ＝一２Ｃ，，２ＡＵ ｃ，，２＋Ｉｏｄｌｆ，一 （１７） ｏ将式（１２）及 ＝２ ． 代入式（１７），得： ／０ （１８） 可见，△ｕ。与能量传递环节Ｃ ，ｃ２无关系，只与 Ｉ，ｆｓ，Ｃ有关。 ３新型Ｂｏｏｓｔ变换器实验及结果 实验所用各器件及其参数选择如下：额定输出 电压为２００ Ｖ，１００ Ｖ；输出电阻２００ Ｑ，１００ Ｑ；输入 电感２．４４ｍＨ，寄生电阻０．６Ｑ；开关电容网络选择的 电解电容为４７ ｔｘＦ／２００Ｖ，选择的输出滤波电解电容为 ３３０１ｘＦ／４５０Ｖ；开关管Ｖｓ采用ＩＲＦＰＳ３８１５，开关频率为 ４０ ｋＨｚ；二极管采用ＢＹＲ２９－６００。图２示出新型Ｂｏｏｓｔ 变换器主要试验波形。图２波形的实验条件是ｄ＝ 一种新型Ｂｏｏｓｔ变换器 ５０％，输入电压Ｕｉ－－５０Ｖ，输出电压 ００Ｖ，输出电阻 器件耐压等级限制，传统Ｂｏｏｓｔ电路数据在Ｐ＝－１００Ｗ． Ｒ￣２００ Ｑ，Ｐ＝２００Ｗ。由实验波形可以看出，实验结果与 Ｒ￡＝１００ １－１，Ｕｏ＝１Ｏ０ Ｖ实验条件下得到的。 理论分析相一致。 可以看出。新型Ｂｏｏｓｔ电路在ｄ＝０．２—０．６７之间 枣蛙 时， 达到将近９５％，与传统Ｂｏｏｓｔ电路效率相当； ＞＞ 而当ｄ继续增大时，Ｊ，７出现明显下降。根据该图即可 ； 确定新型Ｂｏｏｓｔ电路的最佳工作区间。实验中，最佳 工作区域可选择在ｄ＝０．２～０．６７之间。图３ｃ所示曲线 ｈ为两种Ｂｏｏｓｔ变换器 与＇７的关系，该图表明，与传 统ｂｏｏｓｔ变换器相比．新型变换器能实现更大的电压 。－’。１． ｋ ｋ ＿Ｉ ｌｒ■■ — ｝ 变比，在相同电压变比的条件下，其变换效率更高。 ： Ｊ ４结 论 （ｃ）电感电流ｉ 波形 （ｄ）９１ 哭 电流 ｖｓ波形 新型Ｂｏｏｓｔ变换器有着较高的升压能力．相比 图２新型Ｂｏｏｓｔ变换器主要试验波形 其他类型的升压电路也有着结构简单、实现容易的 由图３ａ知，新型Ｂｏｏｓｔ电路具有更高的升压特 优点。通过实验证明，新型Ｂｏｏｓｔ变换器在保证较大 性，实验结果符合理论推导的升压变比关系。 升压变比和较高输出电压的同时．不提高对电路器 件的耐压等级限制。能够实现更大的变换功率．输出 性能良好。与传统Ｂｏｏｓｔ电路相比，在相同电压变比 的条件下，有更高的变换效率。新型Ｂｏｏｓｔ变换器作 为一种新颖的基础拓扑，具有很好的发展前景。 ｄ／％ ｄｆ％ ｔ变换器ｄ ０ｑ问关系 参考文献 【１】陈坚．电力电子学——电力电子变换和控制技术【Ｍ】．北 京：高等教育出版社．２００２． ［２】Ｅｎｒｉｃｏ Ｓａｎｔｉ，Ａｎｔｏｎｅｌｌｏ Ｍｏｎｔｉ，Ｄｏｎｇｈｏｎｇ Ｌｉ，ｅｔ ａ１．Ｓｙｎｅｒｇｅｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ＤＣ－・ＤＣ Ｂｏｏｓｔ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：Ｉｍ・・ｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｏｐ・－ ＝Ｕｏ／Ｕｉ ｆｃ）Ｂｏｏｓｔ变换器 与目问关系 ｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐ－ｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００３，３９： ’ 图３两种Ｂｏｏｓｔ变换器工作特性比较 １８０３一ｌ８ｌ３． 图３ｂ中的曲线为两种Ｂｏｏｓｔ变换器占空比ｄ与 【３】汪令祥．光伏发电用ＤＣ／ＤＣ变换器的研究【Ｄ】．合肥：合肥 工业大学．２００６． 电路工作效率叼的关系，新型Ｂｏｏｓｔ电路数据均在 ［４】程红丽．用开关电容网络改善ＤＣ／ＤＣ变换器性能的研究 ２００ Ｗ，ＲＬ＝２００ Ｑ，Ｕｏ＝２００ Ｖ的实验条件下得到，由于 ［Ｊ】．微电子学．１９９９，２９（５）：２９—３１． （上接第２７页）非常好，电流谐波失真小，获得了较为 实现方案．可以广泛应用于以感应电动机为驱动装置 满意的结果。图６ｂ所示为电机磁链波形，近似圆形的 的电气传动中，从而获得高精度的调速控制性能。 磁场进一步证明该数字控制系统程序设计的正确性。 参考文献 【ｌ】李永东．交流电机数字控制系统【Ｍ】．北京：机械工业出版 社．２００３． 【２】王成元，周美文．矢量控制交流伺服驱动电动机［Ｍ】．北京： 机械工业出版社．１９９４． ｔｌ（Ｏ．２５ ｓ／格） ，／（Ｏ．５ Ｗｂ／格） （ａ）定ｒＡ相电流波形 （ｂ）电机磁链波形 【３】Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｅｕｒｏｐｅ．Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｓｐｅｅｄ Ｆｉｅｌｄ ‘ 图６实验波形 Ｏｒｉｅｎｔａｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｔｈｒｅｅ Ｐｈａｓｅ ＡＣ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｍｏｔｏｒ ｕｓｉｎｇ ６结 论 ＴＭＳ３２０Ｆ２４ｑＭ］．Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｅｕｒｏｐｅ，１９９８． ［４］周兆勇，李铁才．基于矢量控制的高性能交流电机速度伺 采用ＤＳＰ和ＦＰＧＡ为核心组成的矢量控制系统 服控制器的ＦＰＧＡ实现【Ｊ］．中国电机工程学报，２００４，８（８）： 实现了感应电机的全数字化控制。具有硬件结构简 １ ６８－１７３． 单、集成度高的优点。试验结果表明，该控制系统设计 【５】赵文祥，刘国海．基于ＤＳＰ的全数字矢量控制ＳＶＰＷＭ变 合理，稳定可靠，控制精度高，是一种理想的矢量控制 频调速系统【Ｊ］．电机与控制学报，２００４，６（２）：１７５—１７８． ３９