作者：郑晓敏
随着社会的快速发展，对能源的需求与日俱增，传统燃料不仅总量有限，还造成了严重的环境污染。可再生能源的利用成为一种趋势，其中，太阳能光伏发电以其可靠、安全、运行成本低、应用范围广等优点可以有效解决当今社会的能源危机问题[1]，[2]。在光伏发电系统的实际应用中，系统的输出功率容易受到外界环境因素的影响，所以系统中往往需要采用最大功率跟踪技术．而DC/DC变换器是其重要的组成部分。传统的Boost变换器具有许多优点，比如结构简单；输入电流连续；提升输出电压以弥补光伏电池输出电压低的劣势；在故障情况下二极管可以防止电流回流，从而避免系统损坏。因此它被广泛应用于光伏电池最大功率跟踪电路中[3]。由于传统Boost变换器升压能力有限，不适用于对电压要求较高的场合，并且开关管和二极管的电压应力与其输出电压相等，相对较高，这就增加了系统的成本，降低了系统工作的可靠性，另外其输入电流纹波较大还会减短光伏电池的使用寿命。
针对传统Boost变换器的缺陷，本文提出了一种新型高增益两相交错并联Boost变换器．它是在传统两相交错并联Boost变换器的基础上进行改进的。在相同的占空比下，新拓扑的输出电压增益较传统的两相交错并联Boost变换器提升了4倍，而且开关管和二极管的电压应力也得以减小，其输入电流纹波也很小，因此新拓扑比较适合应用在光伏发电系统中[4] ~[8]。
1新拓扑工作原理分析
本文提出的新型高增益两相交错并联Boost变换器拓扑如图1所示。
为了简化分析，对图1作出如下假定：①所有器件均为理想器件，忽略其寄生参数；②两个电感L1=L2=L，且在电流连续模式(CCM)条件下工作；③两个开关管S1，S2占空比相等，采用交错并联策略进行控制，相位相差1800。
由于光伏并网发电通常需要较高的输出电压，所以占空比的取值也应较大，本文重点分析新拓扑工作在D>0.5时的过程。
在1个开关周期T内，新拓扑的开关状态可分为5种情况，分别称为状态1、状态2、状态3、状态4、状态5，其中状态3的等效电路与状态1相同，状态1、状态2、状态4、状态5的等效电路如图2所示，图中器件为虚线的表示器件关断。
在状态1中，开关管S1，S2闭合。此时二极管VD1，VD2，VD3和VD4都关断。电路中有3个回路：回路1由电源Vi、电感L1和开关管S1构成，电源Vi向电感L1充电，此时电感Li电流
升：回路2由电源Vi、电感L2和开关管S2构成，电源Vi向电感L2充电，此时电感L2电流
升：回路3由电容C4，C1，C2及负载组成，此时各电容向负载供电二
其他状态的工作过程与状态1的相似，这里就不再赘述在这里要注意的一点是，在状态2中，即开关管S1闭台，S2断开期间，电容C1，C2通过回路3向电容C3充电，使得电容C3的平均电压与电容C1.C2的平均电压之和几呼相同，即：
状态4中，开关管S1断开，S2闭合期间，电容 C3通过回路1向电容C4充电，使得电容C4的平均电压与电容C3的平均电压之和几乎相同，即：
因此，新拓扑中的负载由电容C4，C1，C2供电 实际上也相当于由电容C3，C1，C2供电。
通过各状态等效电路的分析可以得到其相应的状态方程。其中，在状态1中，有：
2新拓扑稳态性能分析
2.1输出电压增益 根据式(3)~(6)及上述工作过程的分析，稳态时，可分别得出在一周期T内电感L1，L2伏秒平衡的表达式为
又因为输出电压V0为电容C1，C2，C4电压之和，即：
由式( 10)可知，新拓扑的输出电压增益是传统两相交错并联Boost变换器的4倍。
2．2电压应力
对图2进行分析可知，开关管和二极管在不同状态下的电压应力是有所区别的，表1给出了新型拓扑和传统拓扑中开关管和二极管在一周期T中的最大电压应力。
由表1可以看出，新拓扑工作在D>0.5时．S1．S2和D2的最大电压应力为输出电压的1/4．VD1．VD3.VD4的最大电压应力为输出电压的1/2．这有利于选择f压器件来降低成本。从另外一个角度来看．如果在新拓扑中选用与传统拓扑相同的开关管和二极管，显然由于其最大电压应力的减小，提高了电路工作的可靠性。
2.3电感电流与输入电流纹波
根据图2新拓扑在D>0.5时各工作状态的分析，可知当电感L1=L2=L时，两个电感上的电流纹波峰峰值是相等的，表达式为
新拓扑保留了交错并联结构，输入电流是两个电感上的交错电流之和，此时可得输入电流纹波峰峰值的表达式为
由式(12)可知，新拓扑继承了传统两相交错并联Boost变换器输入电流纹波小的优点，因为它们的输入电流纹波表达式是相同的。
3仿真验证
为了验证理论分析的正确性，用Matlab/Simulink对新拓扑进行仿真测试，参数设置：输入电压Vi=10 V，电感L1=L2=100 uH，电容C1=C2=C4=330 uF，C3=220u F，开关管S1，S2采用MOS-FET，开关频率设为100 kHz，占空比D=0.6。通过设定的参数，代入式(10)~(12)中得输出电压V0=100 V，电感电流纹波峰峰值
=0.6 A，输入电流纹波峰峰值
=0.2 A。传统拓扑结构和新拓扑结构仿真结果如图3~7所示。
输出电压仿真波形如图3所示。
由图中可以看出，传统拓扑输出电压V0接近25V，新拓扑输出电压V0接近100V，为输入电压的10倍，之所以与理论值还有点差距，是因为二极管和开关管上有小部分压降。由此可知，新拓扑输出电压是传统拓扑的4倍，得到了显著提高。
变换器二极管的电压仿真波形如图4所示．从图中可以看出，传统拓扑两个二极管的最大电压为25 V，与输出电压相等；新拓扑中VD1，VD3，VD4的最大电压应力为50 V，是输出电压的1/2，但其电压应力波形在实际中呈现出了3种状态（0.25 V和50 V），且相邻状态之间的电压变化为25 V，是输出电压的1/4，这样可以减缓较大电压对二极管的冲击，而VD2的最大电压应力为25 V左右，为输出电压的1/4，显然新拓扑有效减小了开关器件的电压应力。
开关管电压波形如图5所示。
从图5可以看出，传统拓扑两个开关管S1，S2的最大电压应力为25 V，与输出电压相等：新拓扑两个开关管S1，S2的最大电压应力虽然也为25V，但它是输出电压的1／4。由此可知，在同等输出电压条件下，新拓扑中开关管的电压应力也得到了明显减小。
图6，7分别为输入电流以及电感L1，L2上的电流仿真波形。
从图中可以看出，传统拓扑两个电感上的电流纹波在一个周期内脉动了一次，电流变化为2.2~2.8 A,输入电流纹波在一个周期内脉动了两次，电流变化在4.9~5.1 A;新拓扑两个电感上的电流变化在9.7~10.3 A，输入电流变化在19.9~20.1 A，显然交错并联结构的存在使得新拓扑继承了传统拓扑输入电流纹波小的优点。仿真结果 表明，上述理论分析与电路的实际工作相符。
4结束语
本文设计的新型两相交错并联Boost变换器具有以下优点：①输出电压增益高，是传统两相交错并联Boost变换器输出电压增益的4倍：②开关管和二极管的电压应力得到了明显减小，有利于选择低压器件降低成本，提高系统工作的可靠性；③由于它是在传统两相交错并联Boost变换器的基础上改进的，因此继承了其输入电流纹波小的优点。
5摘要：
针对传统两相交错并联Boost变换器输出电压增益较低，开关器件的电压应力较高的缺陷，文章在传统两相交错并联Boost变换器的基础上增加了2个二极管和3个电容，并进行了结构上的改进。在此基础上分析了占空比D>0.5时的工作原理，结果表明，新拓扑具有传统拓扑输入电流纹波小的优点，并且在相同的占空比下，其输出电压增益为传统拓扑的4倍，同时开关管和二极管的电压应力也得到了明显减小。最后，通过Matlab/Simulink仿真验证了理论分析的正确性。
