摘"要：

針對(duì)光伏發(fā)電、燃料電池發(fā)電等領(lǐng)域?qū)Ω咴鲆嬷绷髯儞Q器的需求，以兩相交錯(cuò)并聯(lián)升壓變換器為研究對(duì)象，由2個(gè)含有電感的倍壓?jiǎn)卧M合設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)電壓提升的交叉倍壓結(jié)構(gòu)，據(jù)此提出了一種新穎的交叉倍壓型高增益DC/DC變換器。該變換器可實(shí)現(xiàn)（3n+4）/（1-d）倍的高電壓增益（1∶n為耦合電感匝數(shù)比，d為變換器占空比），且具有電路器件的低電壓應(yīng)力特性。對(duì)于漏感引起的開關(guān)管電壓尖峰問題，引入了鉗位電容構(gòu)成釋放漏感能量通道，同時(shí)提升了輸出電壓。介紹了新型交叉倍壓型高增益變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析了變換器各模態(tài)的工作過程，推導(dǎo)了電壓增益、輸入電流紋波及各器件電壓應(yīng)力等穩(wěn)態(tài)特性，并搭建樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該直流變換技術(shù)方案的可行性和先進(jìn)性。

關(guān)鍵詞：DC/DC變換器；高增益；低輸入電流紋波；交叉倍壓；交錯(cuò)并聯(lián)；耦合電感

DOI：10.15938/j.emc.2024.01.012

中圖分類號(hào)：TM46

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2024）01-0120-11

Highgain DC/DC converter with intersected voltage multiplier

QIN Ming，"FENG Yaoxing，"CHANG Yiwen，"WANG Kewen

（School of Electrical and Information Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China）

Abstract：

Aiming at the demand of highgain DC/DC converter in photovoltaic power generation system and fuel cell power generation system， twophase interleaved parallel boost converter was taken as the research object， and an intersected voltage multiplier cell with the combination of two voltage multiplier cells containing inductors was designed， which can increase the voltage. According to this， a new highgain DC/DC converter with intersected voltage multiplier was proposed. This converter can achieve （3n+4）/（1-d） times high voltage gain （1∶n is the turn ratio of coupled inductor， d is the duty ratio of converter）， and it has low voltage stress characteristics. To solve the problem of voltage spike caused by leakage inductance， clamping capacitor was introduced to form leakage inductance energy channel and increase the output voltage. The topology of the new highgain DC/DC converter with intersected voltage multiplier was proposed， the working process of each mode was analyzed， and the steadystate characteristics of voltage gain， input current ripple and voltage stress of each device were deduced. What’s more， an experimental prototype was built to verify feasibility and advance of DC/DC conversion technology.

Keywords：DC/DC converter; highgain; low input current ripple; intersected voltage multiplication; interleaved; coupled inductor

0"引"言

為了實(shí)現(xiàn)2030年碳達(dá)峰的目標(biāo)，光伏、燃料電池等清潔能源正在被大規(guī)模開發(fā)使用。對(duì)于獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)或燃料電池發(fā)電系統(tǒng)等中小功率應(yīng)用場(chǎng)合，其發(fā)電單元的額定電壓低，需要具有高電壓增益DC/DC變換器進(jìn)行電能變換；為保證發(fā)電單元穩(wěn)定高效工作，通常也要求變換器輸入特性良好。但是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的Boost變換器存在自身極限占空比限制、輸入電流紋波和開關(guān)管電壓應(yīng)力大等問題，往往難以勝任這些應(yīng)用場(chǎng)合。因此，設(shè)計(jì)具有高增益、低輸入電流紋波性能的直流變換器已經(jīng)成為近年來研究熱點(diǎn)。研究人員將開關(guān)電感、開關(guān)電容、耦合電感、級(jí)聯(lián)、交錯(cuò)并聯(lián)等拓?fù)鋺?yīng)用于Boost變換器，有效提升了變壓器的升壓特性[1-2]。

Boost變換器結(jié)合開關(guān)電容技術(shù)，得到較高電壓增益，級(jí)聯(lián)多組開關(guān)電容時(shí)，理論上可以實(shí)現(xiàn)很高的電壓增益。但是變換器工作時(shí)，開關(guān)管處于硬開關(guān)狀態(tài)，增加導(dǎo)通損耗，并且開關(guān)電容充放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生尖峰電流，出現(xiàn)電壓噪聲。相關(guān)學(xué)者提出一類開關(guān)電感結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)變換器儲(chǔ)能電感，用于解決傳統(tǒng)升壓變換器升壓能力不足，但是開關(guān)管和輸出二極管電壓應(yīng)力仍等于輸出電壓，不適用于高升壓場(chǎng)合，此外，引入過多的電感會(huì)增大寄生參數(shù)，增加變換器損耗[3]。文獻(xiàn)[4]總結(jié)開關(guān)電感和開關(guān)電容技術(shù)在升壓直流拓?fù)潆娐飞系膽?yīng)用，得到一種升壓直流拓?fù)浼夹g(shù)廣義拓?fù)?，并提出了一種含有電感、電容和二極管的倍壓結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于此廣義拓?fù)淇梢允棺儞Q器實(shí)現(xiàn)較高的電壓增益。此結(jié)構(gòu)中，開關(guān)電容分擔(dān)了開關(guān)管的電壓應(yīng)力，使開關(guān)管電壓應(yīng)力有效降低，減小變換器在高升壓場(chǎng)合開關(guān)管應(yīng)力大和效率低的問題。但是此變換器輸入電流紋波大的問題并未解決。文獻(xiàn)[5]總結(jié)了帶有耦合電感的新型升壓變換器拓?fù)浼夹g(shù)，耦合電感的引入增加一個(gè)新的自由度匝數(shù)比1：n，可以在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不改變的情況下，通過改變耦合電感匝數(shù)比提升輸出電壓。耦合電感副邊和開關(guān)電容構(gòu)成的倍壓結(jié)構(gòu)可以分擔(dān)開關(guān)管的電壓并增加變換器電壓增益。耦合電感相比于單獨(dú)電感，在實(shí)現(xiàn)相同增益條件下，電路成本和電路尺寸明顯減少。但是當(dāng)變換器運(yùn)行在電感電流斷續(xù)模式下，仍存在輸入電流斷續(xù)的問題。

為了解決輸入電流斷續(xù)、紋波大的問題，相關(guān)研究引入了交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)。文獻(xiàn)[6]提出了一種輸入輸出全交錯(cuò)型升壓變換器，實(shí)現(xiàn)了輸入電流連續(xù)、電流紋波小的變換特性，且電容能夠自動(dòng)均壓。文獻(xiàn)[7]在文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)上將主電感替換為耦合電感，并將耦合電感副邊置于輸出端，設(shè)計(jì)了一種高增益交錯(cuò)耦合電感升壓變換器，該變換器采用耦合電感技術(shù)減小電路尺寸，降低成本，同時(shí)有效提升了電壓增益。文獻(xiàn)[8-10]均是將耦合電感副邊置于輸出端，通過優(yōu)化開關(guān)電容結(jié)構(gòu)得到幾種各具優(yōu)勢(shì)的高增益升壓變換器方案。文獻(xiàn)[11]以交錯(cuò)耦合變換器為基礎(chǔ)，將開關(guān)電容與耦合電感副邊串聯(lián)，設(shè)計(jì)了一種高增益升壓變換器，但是該變換器未考慮漏感能量釋放問題，導(dǎo)致開關(guān)管關(guān)斷瞬間出現(xiàn)尖峰電壓，穩(wěn)態(tài)工作特性方面存在不足。相關(guān)研究引入鉗位電容，使耦合電感的漏感能量通過鉗位電容釋放，以解決開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的尖峰電壓?jiǎn)栴}。文獻(xiàn)[12]提出一種高增益交錯(cuò)耦合電感DC/DC變換器，該變換器的耦合電感副邊與開關(guān)電容串聯(lián)，限制電容電流尖峰，鉗位電容吸收漏感能量同時(shí)提升輸出電壓。但該變換器在使用相同器件數(shù)情況下，未能使電壓增益實(shí)現(xiàn)最大化。

在上述研究的基礎(chǔ)上，提出并研究一種新穎的交叉倍壓型高增益DC/DC變換器（a highgain DC/DC converter with intersected voltage multiplier，IVMH converter）。該變換器設(shè)計(jì)交叉倍壓結(jié)構(gòu)，并采用交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)作為輸入端，有效提高電壓增益，減小輸入電流紋波。與現(xiàn)有同類型變換器相比，IVMH變換器具有更高的升壓比和更低的開關(guān)管電壓應(yīng)力，適用于清潔能源發(fā)電等應(yīng)用場(chǎng)合。

1"拓?fù)渫蒲?/p>

拓?fù)渫蒲輬D如圖1所示。通過圖1（a）、圖1（b）含電感倍壓?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)和含耦合電感嵌套倍壓結(jié)構(gòu)的組合，使所設(shè)計(jì)拓?fù)涞碾娙菖c耦合電感副邊串聯(lián)，設(shè)計(jì)了圖1（c）所示交叉倍壓結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)主要利用電容C3和電感Ns反向給電容C1充電，大幅提高了C1的電壓，C1、Ns、C2串聯(lián)放電，實(shí)現(xiàn)電壓提升。

將此交叉倍壓結(jié)構(gòu)應(yīng)用于交錯(cuò)耦合直流變換器時(shí)，需考慮漏感釋放能量的問題。通過構(gòu)建漏感能量釋放通道，提出了一種交叉倍壓型高增益DC/DC變換器（IVMH變換器）。與已有方案相比，IVMH變換器在開關(guān)管數(shù)量、二極管數(shù)量相同或更少的情況下，實(shí)現(xiàn)了更高的電壓增益；同時(shí)避免了漏感能量釋放問題；開關(guān)管電壓應(yīng)力更低，可選用電壓等級(jí)更低的開關(guān)器件，以降低成本。

2"工作原理分析

IVMH變換器的輸入端兩相并聯(lián)，交錯(cuò)180°控制兩開關(guān)管開斷。開關(guān)電容和耦合電感副邊串聯(lián)，結(jié)合二極管組成交叉倍壓結(jié)構(gòu)，其中：電容C1、C3，二極管D1、D2與副邊繞組組合為倍壓?jiǎn)卧?；電容C1、C2，二極管D1、D2、D3與副邊繞組組合為倍壓?jiǎn)卧?；同時(shí)開關(guān)管S1關(guān)斷時(shí)，電容C3鉗位S1，吸收Np1漏感能量，在S2關(guān)斷時(shí)，電容C4鉗位S2，吸收Np2漏感能量，如圖2所示。

圖3為其等效變換器模型，耦合電感等效為漏感Lk、勵(lì)磁電感Lm和匝數(shù)比為Np ∶ "Ns的理想變壓器，兩耦合電感的同名端分別用“*”和“·”表示。

為了簡(jiǎn)化分析過程，做出以下假設(shè)：

1）所有開關(guān)管、二極管都是理想器件；

2）兩耦合電感參數(shù)相同且匝數(shù)比Np1∶Ns1=Np2∶ Ns2=1∶n；

3）所有電容的容值很大，其兩端電壓紋波可以忽略；

4）開關(guān)管S1、S2采用交錯(cuò)180°導(dǎo)通的控制方式，其占空比d相同且d gt; 0.5;

5）由于漏感遠(yuǎn)小于勵(lì)磁電感，計(jì)算增益時(shí)忽略漏感影響，令k=Lm/（Lk+Lm）=1。

本文研究了IVMH變換器在連續(xù)導(dǎo)通模式下的工作方式，其在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)有8種工作模態(tài)。圖4為理論波形，圖5為8種工作模態(tài)。

模態(tài)Ⅰ（t0－t1）：如圖5（a）所示，開關(guān)管S2處于導(dǎo)通狀態(tài)，開關(guān)管S1在t0時(shí)刻導(dǎo)通，漏感Lk1開始充電，但勵(lì)磁電感電流iLm1大于漏感電流iLk1，勵(lì)磁電感的能量繼續(xù)通過原邊繞組釋放到副邊。二極管只有D4為導(dǎo)通狀態(tài)，其余皆為關(guān)斷狀態(tài)，電容C1、C2、C4為輸出電容C5充電。副邊串聯(lián)結(jié)構(gòu)放緩了D4電流的下降速率，t1時(shí)刻二極管D4自然關(guān)斷，緩解了其反向恢復(fù)問題，此模態(tài)電源與耦合電感原邊Lm1、副邊以及電容C1、C2、C4構(gòu)成的回路為負(fù)載供電。此模態(tài)的表達(dá)式為：

模態(tài)Ⅱ（t1－t2）：如圖5（b）所示，此時(shí)兩開關(guān)管保持導(dǎo)通，二極管全部關(guān)斷，漏感電流與勵(lì)磁電感電流相等，即iLk1= iLm1、iLk2= iLm2，電源為兩相漏感和勵(lì)磁電感充電，漏感電流線性上升，輸出電容C5為負(fù)載供電。由于漏感遠(yuǎn)小于勵(lì)磁電感，忽略漏感影響，可得此模態(tài)的表達(dá)式為：

模態(tài)Ⅲ（t2－t3）：如圖5（c）所示，t2時(shí)刻，開關(guān)管S2關(guān)斷，S1持續(xù)導(dǎo)通，二極管D2、D5開始導(dǎo)通，其余二極管皆為關(guān)斷狀態(tài)。此模態(tài)漏感Lk2和勵(lì)磁電感Lm2開始放電，漏感能量通過D5釋放到電容C4，同時(shí)開關(guān)管S2的電壓被C4鉗位，避免了開關(guān)管關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)電壓尖峰，勵(lì)磁電感Lm2和電容C3通過D2為副邊和C1充電，二極管D2的電流線性上升，輸出電容C5為負(fù)載供電。此模態(tài)的表達(dá)式為：

模態(tài)Ⅳ（t3－t4）：如圖5（d）所示，t3時(shí)刻，漏感Lk2能量釋放完畢，二極管D5自然關(guān)斷，D3開始導(dǎo)通，耦合電感副邊通過D3為電容C2充電。D2上的電流隨著勵(lì)磁電感Lm2上的電流減小而減小，t4時(shí)刻減小為0。此模態(tài)輸出電容C5為負(fù)載供電，漏感電流、勵(lì)磁電流和副邊電流關(guān)系同上一模態(tài)。此模態(tài)的表達(dá)式為：

模態(tài)Ⅴ（t4－t5）：如圖5（e）所示，t4時(shí)刻，S2開始導(dǎo)通，S1保持導(dǎo)通，此時(shí)只有二極管D3為導(dǎo)通狀態(tài)，其余皆為關(guān)斷狀態(tài)。由于受到漏感Lk2上電流的限制，開關(guān)管S2的電流從0開始緩慢上升，實(shí)現(xiàn)了S2的軟開通。此模態(tài)iLk2lt;iLm2，勵(lì)磁電感Lm2上的能量繼續(xù)通過副邊傳遞到C2，D3上的電流線性下降，直到t5時(shí)刻，iLk2 = iLm2，D3自然關(guān)斷。同時(shí)此模態(tài)下C4、C3、D2、C2、D4、C5構(gòu)成的回路使D2加上D4的電壓應(yīng)力等于輸出電壓減去其他電容的電壓，且在C1、D1、D2、耦合電感副邊構(gòu)成的回路中，耦合電感副邊電壓等于C2，可得此時(shí)的電壓關(guān)系為：

模態(tài)Ⅵ（t5－t6）：如圖5（f）所示，器件開關(guān)狀態(tài)同模態(tài)Ⅱ。但二極管D2電壓應(yīng)力與上一模態(tài)不同，此時(shí)耦合電感副邊放電完成，副邊電壓為0，可得

模態(tài)Ⅶ（t6－t7）：如圖5（g）所示，t6時(shí)刻，S1關(guān)斷，S2持續(xù)導(dǎo)通，二極管D1、D4開始導(dǎo)通。此時(shí)漏感Lk1通過D1向C3釋放能量，由于C3對(duì)S1的鉗位作用，避免了S1出現(xiàn)尖峰電壓，二極管D4由于與副邊串聯(lián)，電流開始從0線性上升，電源與耦合電感原邊Lm1、副邊以及電容C1、C2、C4構(gòu)成的回路為輸出電容C5充電同時(shí)為負(fù)載供電。此模態(tài)的表達(dá)式為：

模態(tài)Ⅷ（t7－t8）：如圖5（h）所示，t7時(shí)刻，漏感能量釋放完全，二極管D1零電流關(guān)斷，避免了D1的方向恢復(fù)問題。此過程只有D4處于導(dǎo)通狀態(tài)，漏感Lk2、勵(lì)磁電感Lm2繼續(xù)充電，電容C1、C2、C4繼續(xù)放電同時(shí)給負(fù)載供電，此過程D4電流緩慢減小，漏感電流、勵(lì)磁電流和副邊電流關(guān)系同上一模態(tài)。此模態(tài)的表達(dá)式為：

3"穩(wěn)態(tài)分析

3.1"電壓增益

為了簡(jiǎn)化分析，忽略漏感影響，即認(rèn)為耦合系數(shù)k=1。模態(tài)Ⅰ和模態(tài)Ⅴ工作時(shí)間很短，其勵(lì)磁電感上的電壓可近似為電源電壓，即：

模態(tài)Ⅰ：vm1=vm2=Vin；

模態(tài)Ⅴ：vm1=vm2=Vin。

根據(jù)“伏秒平衡”原理，勵(lì)磁電感Lm1和Lm2上的電壓在一個(gè)開關(guān)周期中積分為0，可得：

圖6顯示了IVMH變換器在不同匝數(shù)比條件下電壓增益與占空比的關(guān)系，可見該變換器在較低的占空比下即可達(dá)到較高的電壓增益，且耦合電感匝數(shù)比會(huì)直接影響電壓增益。

3.2"元件電壓應(yīng)力分析

由式（42）～式（46）可知，電容C1、C2、C3、C4上的電壓應(yīng)力分別為：

由此可得，當(dāng)耦合電感匝數(shù)比為1∶1時(shí)，開關(guān)管電壓應(yīng)力僅為輸出電壓的1/7，大幅降低了開關(guān)管的導(dǎo)通損耗。

圖7表示了IVMH變換器各器件的相對(duì)電壓應(yīng)力，即器件電壓應(yīng)力與輸出電壓的比值。開關(guān)管S1、S2，二極管D1、D5，電容C1、C3、C4上的電壓應(yīng)力與輸出電壓比值隨著匝數(shù)的增加而降低，特別是開關(guān)管S1、S2電壓應(yīng)力在n≥1時(shí)，不大于輸出電壓的1/7，可以使用電壓等級(jí)更低、經(jīng)濟(jì)性更好的開關(guān)管。二極管D2、D3、D4和電容C2上的電壓應(yīng)力與輸出電壓比值隨耦合電感參數(shù)n的增加而增加，但其電壓應(yīng)力仍很大程度上小于輸出電壓。

3.3"輸入電流紋波分析

由于IVMH變換器輸入側(cè)是交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，輸入電流等于兩漏感電流之和，根據(jù)此拓?fù)湟粋€(gè)周期八個(gè)模態(tài)分析可知，輸入電流實(shí)際上也為兩勵(lì)磁電感電流之和，表示為以下關(guān)系：

i（t）=iLk1（t）+iLk2（t）=（iLm1（t）+nisec（t））+（iLm1（t）－nisec（t））=iLm1（t）+iLm2（t）。

根據(jù)圖4中輸入電流i in的波形可知，一個(gè)周期內(nèi)，輸入電流進(jìn)行兩次波動(dòng)，因此減小了輸入電流紋波。輸入電流在模態(tài)Ⅰ和模態(tài)Ⅱ線性上升，此時(shí)輸入電流紋波為

勵(lì)磁電感Lm1電流在開關(guān)S1導(dǎo)通時(shí)，直線上升，可得勵(lì)磁電感電流紋波為

由電路結(jié)構(gòu)可知，ΔiLm2與ΔiLm1紋波相等。

3.4"性能對(duì)比

本文與近年來應(yīng)用在交錯(cuò)并聯(lián)高增益方向的同類型直流變換器在器件數(shù)、電壓增益、開關(guān)管電壓應(yīng)力等特性進(jìn)行了對(duì)比。表1對(duì)比了耦合系數(shù)k=1時(shí)，IVMH變換器與現(xiàn)有同類型直流變換器的性能參數(shù)對(duì)比?？梢钥闯?，本文提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)元件數(shù)量最少、電壓增益最高、開關(guān)管電壓應(yīng)力最小。

圖8為IVMH變換器與同類型變換器在耦合電感匝數(shù)比為1∶1時(shí)，對(duì)比不同占空比下得到的電壓增益曲線?？梢钥闯?，IVMH變換器在占空比dgt;0.5時(shí)電壓增益相對(duì)最高。

圖9為IVMH變換器與現(xiàn)有變換器的開關(guān)管相對(duì)電壓應(yīng)力對(duì)比，可以看出在耦合電感參數(shù)n為0～2時(shí)，所提變換器相對(duì)電壓應(yīng)力明顯小于其他方案。更高的電壓增益和更低的電壓應(yīng)力使所提IVMH變換器在應(yīng)用于高升壓比場(chǎng)合時(shí)更具優(yōu)勢(shì)。

4"實(shí)驗(yàn)研究

4.1"實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)電路為了實(shí)現(xiàn)高增益性能，占空比須大于0.5。為了得到需求的電壓增益，耦合電感參數(shù)n可以通過設(shè)計(jì)占空比確定，即

其中：rL%為電流紋波率；fs為開關(guān)頻率。勵(lì)磁電感的電感量可以根據(jù)式（62）選擇。本文選擇勵(lì)磁電感為100 μH、漏感為3.55 μH的耦合電感進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

穩(wěn)態(tài)時(shí)，電容上的能量全部輸送到輸出端，根據(jù)其電流電壓關(guān)系，可得：

其中：rc%為電容電壓紋波率；Po為輸出功率。

變換器所采用的器件參數(shù)詳見表2。

4.2"實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論分析，搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)和測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究如圖10所示。

圖11為開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)和開關(guān)管漏源極電壓波形。兩開關(guān)管交錯(cuò)180°導(dǎo)通，開關(guān)頻率為50 kHz，占空比為0.65，驅(qū)動(dòng)電壓為12 V。漏源極電壓波形10 V/div，大約為26 V，由于開關(guān)管本身存在寄生電容的原因，漏源極電壓在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)仍存在電壓尖峰，但尖峰較小，選型時(shí)留有電壓裕量即可。

圖12為輸入電流波形和兩漏感電流波形，兩漏感電流平均值分別約為4.5、3.5 A，紋波約為6 A，經(jīng)過兩漏感電流疊加，輸入電流平均值約為8 A，紋波約為1.5 A，大大減小了變換器的輸入電流紋波。圖13為各電容的電壓波形，各電容電壓平均值分別為77、24、26、26 V，大致符合計(jì)算結(jié)果。

圖14、圖15為二極管電壓波形，且電壓時(shí)序與理論分析一致，在模態(tài)Ⅴ時(shí)，二極管D2和D4出現(xiàn)一個(gè)暫時(shí)穩(wěn)態(tài)，D2電壓應(yīng)力約為28 V，D4電壓應(yīng)力約為82 V，符合模態(tài)Ⅴ下理論分析結(jié)果。各二極管最大電壓應(yīng)力為55、105、52、105、28 V，均小于輸出電壓，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合理論推導(dǎo)結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用中，可以選擇電壓等級(jí)更低的二極管，減小二極管反向恢復(fù)問題和導(dǎo)通損耗。

圖16、圖17和圖18分別為占空比等于60%、65%和70%時(shí)變換器的輸出電壓波形。當(dāng)占空比為65%時(shí)，變換器輸出電壓為198.7 V，電壓增益約為19.9，與式（46）等得出的理論分析結(jié)果相符。開關(guān)管所承受的最大電壓由圖11可知為26 V，約為輸出電壓的1/7。與已有方案相比，IVMH變換器的開關(guān)管電壓應(yīng)力大幅降低，在實(shí)際應(yīng)用中可以選擇耐壓等級(jí)更低、損耗更小的開關(guān)器件。保持變換器輸入電壓不變，當(dāng)占空比為60%時(shí)，變換器輸出電壓為172.3 V，電壓增益約為17.2；當(dāng)占空比為70%時(shí)，變換器輸出電壓為227.8 V，增益約為22.8。實(shí)驗(yàn)研究得到的電壓特性均與理論分析結(jié)果基本一致。

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)IVMH變換器在輸入電壓10 V、輸出電壓200 V條件下進(jìn)行了效率分析，如圖19所示?？梢钥闯?，在變換器的主要工作范圍內(nèi)，IVMH變換器的效率區(qū)間約為91.3%～94%。在高增益直流變換領(lǐng)域，IVMH變換器與同類其他結(jié)構(gòu)的變換器效率特性比較相近。

實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了新型IVMH變換器技術(shù)方案的可行性及理論分析的正確性。

5"結(jié)"論

本文提出一種交叉倍壓型高增益DC/DC變換器，并對(duì)該變換器方案進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：IVMH變換器引入鉗位電容抑制開關(guān)管電壓尖峰問題，回收漏感能量，使開關(guān)管電壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于輸出電壓，降低成本并減少變換器開關(guān)損耗，同時(shí)所構(gòu)成的漏感釋放通道有效提升了電壓增益；IVMH變換器由兩個(gè)含電感的倍壓?jiǎn)卧M合形成交叉倍壓結(jié)構(gòu)，在保證高輸出電壓的同時(shí)，有效降低了輸入電流紋波。若將耦合電感匝數(shù)比設(shè)計(jì)為其他取值（如1∶2），可改變電壓增益，下一步將展開相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

參 考 文 獻(xiàn)：

［1］"HU Xuefeng， LIU Xing， ZHANG Yujia， et al. A hybrid cascaded high stepup DCDC converter with ultralow voltage stress[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，2021，9（2）：1824.

［2］"陳浩，胡雪峰，王建章. 一種高增益交錯(cuò)耦合電感DC/DC變換器[J].電源學(xué)報(bào)，2019，17（6）：41.

CHEN Hao， HU Xuefeng， WANG Jianzhang. Highgain interleaved coupledinductor DC/DC converter[J]. Journal of Power Supply， 2019， 17（6）：41.

［3］"FOROUZESH M， SIWAKOTI Y P， GORJI S A， et al. Stepup DCDC converters： a comprehensive review of voltageboosting techniques， topologies， and applications[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2017，32（12）：9143.

［4］"ZHANG Yan， DONG Zhuo， LIU Jinjun， et al. Unified model of high stepup DCDC converter with multicell diode capacitor/inductor network[C]//8th Annual IEEE Energy Conversion Congress and Exposition （ECCE）， September 18-22， 2016， Milwaukee， US. 2016：1-8.

［5］"TOFOLI F L， PEREIRA D D C， JOSIAS D P W， et al. Survey on nonisolated highvoltage stepup DCDC topologies based on the boost converter[J]. IET Power Electronics，2015，8（10）：2044.

［6］"胡雪峰， 戴國瑞， 龔春英， 等. 一種高增益低開關(guān)應(yīng)力改進(jìn)交錯(cuò)型Boost變換器[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2014，29（12）：80.

HU Xuefeng， DAI Guorui， GONG Chunying， et al. An improved interleaved Boost converter with high gain and low switch voltage stress[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2014，29（12）：80.

［7］"胡雪峰， 龔春英， 陳杰， 等. 一種高增益交錯(cuò)耦合電感直流變換器[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2014，34（3）：380.

HU Xuefeng， GONG Chunying， CHEN Jie， et al. A high gain interleaved coupledinductor DC/DC converter[J]. Proceedings of the CSEE， 2014，34（3）：380.

［8］"LI Wuhua， ZHAO Yi， WU Jiande， et al. Interleaved high stepup converter with windingcrosscoupled inductors and voltage multiplier cells[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27（1）：133.

［9］"TSENG K C， HUANG C C， SHIH W Y. A high stepup converter with a voltage multiplier module for a photovoltaic system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28（6）：3047.

［10］"TSENG K C， HUANG C C. High stepup highefficiency interleaved converter with voltage multiplier module for renewable energy system[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2014，61（3）：1311.

［11］"CHEN Y T， LU Z X， LIANG R H. Analysis and design of a novel highstepup DC/DC converter with coupled inductors[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2018，33（1）：425.

［12］"HU Xuefeng， GONG Chunying. A high gain inputparallel outputseries DC/DC converter with dual coupled inductors[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2015，30（3）：1306.

［13］"皇金鋒，謝鋒，羅全明.一種改進(jìn)型低電壓應(yīng)力耦合電感高增益Boost變換器[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2020，24（10）：69.

HUANG Jinfeng， XIE Feng， LUO Quanming. High stepup improved low voltagestress Boost converter with coupled inductors[J]. Electric Machines and Control， 2020，24（10）：69.

［14］"尹華杰，丁杰，趙世偉.基于耦合電感與開關(guān)電容單元的高增益DC/DC變換器[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2021，25（11）：66.

YIN Huajie， DING Jie， ZHAO Shiwei. High stepup DC/DC converter based on coupled inductor and switched capacitor unit[J]. Electric Machines and Control， 2021， 25（11）：66.

［15］"HU Xuefeng， LIU Xing， MA Penghui， et al. An ultrahigh voltage gain hybridconnected Boost converter with ultralow distributed voltage stress[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2020， 35（10）： 10385.

［16］"SEO S W， RYU J H， KIM Y， et al. Ultrahigh stepup interleaved converter with low voltage stress[J]. IEEE Access， 2021， 9： 37167.

（編輯：邱赫男）

收稿日期： 2022-06-28

基金項(xiàng)目：河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（22A470009）；河南省研究生教育改革與質(zhì)量提升工程項(xiàng)目（YJS2021JD02）

作者簡(jiǎn)介：秦"明（1982—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)橹绷麟娔茏儞Q技術(shù)、電力電子系統(tǒng)拓?fù)浼夹g(shù)與控制策略；

馮耀星（1995—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮又绷髯儞Q器拓?fù)洌?/p>

常憶雯（1996—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮又绷髯儞Q器拓?fù)?

王克文（1964—），男，博士，教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮釉陔娏ο到y(tǒng)中的應(yīng)用。

通信作者：秦"明