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摘 要： 针对如何提高变换器增益的同时，使变换器具有更高的工作效率，提出一种高升压比ZVS直流变换器，详细分析其工作状态与原理，在此基础上对其电压增益进行推导，讨论其ZVS工作条件，特别分析考虑电路寄生参数影响时变换器的工作情况。发现该变换器具有如下特点：1） 通过合理设计电路参数即可实现高升压变换； 2） 采用两相交错并联技术，使得输入电流及输出电压纹波频率变为开关频率的两倍； 3） 所有的开关管和输出二极管都实现了软开关，减小了电路损耗。最后搭建了一台 5 KW 实验样机，通过实验验证了理论分析的正确性。
关键词： 高升压比；ZVS；两相交错
0引 言
BOOST变换器由于结构简单、易控制、效率高等优点，现已广泛应用于UPS、功率因数校正、通讯电源等诸多领域。随着新能源技术不断发展，不可再生能源的消耗日益严重，使得燃料电池、太阳能等新型能源在电源领域得到广泛的应用。由于太阳能和燃料电池输出直流电压较低，一般为几十伏到一百来伏之间，不足以为电机、并网逆变器等模块提供所需的高压输入。因此，高效率高升压比直流变换器在燃料电池等新能源领域中不可或缺。
本文提出的高升压比ZVS直流变换器，不需要额外增加谐振电路就可以使开关管和二极管工作在ZVS状态，即开关管零电压关断，二极管零电压开通，可以很大程度的降低开关损耗，提高变换器的效率和功率密度，并搭建仿真和实物进行原理验证。
1工作原理
图1为本文所提出的高升压比ZVS直流变换器主电路及其各状态图，在分析其工作原理之前做如下假设：1）电容C1、C2取临界状态值且C1=C2，Cout足够大，输出电压保持不变。2）电感 L1与 L2 相等且足够大，流过的电流连续；3）所有器件都是理想器件，不考虑寄生参数等的影响。4）开关占空比D>0.5，有源开关VT1、VT2采用相差180°的相位控制。
开关状态1（t0-t1）开关管VT1关断，VT2导通，输入电流第一条支路由电源正极经电感L2、开关管VT2流向电源负极；第二条支路由电源正极经电感L1、二极管D2、VT2给电容C2充电，一部分经二极管D2、D4给负载供电，另一部分直接經电感L1、电容C1、二极管D3给负载供电，此时的电容C1处于放电状态。由于该期间电容C2处于完全充电状态，C1处于完全放电状态，故开关管VT1可实现零电压关断，二极管D4可实现零电压开通。因为电感取值较大所以可设t0时刻流入电感初值保持不变，L2的电流初始值为I0，则：
（1）
（2）
（3）
（4）
其中根据功率守恒定律有：
（5）
R为输出负载电阻阻值，Uout为输出电压值。
（a）开关状态1状态图
（b）开关状态2、4状态图
（c）开关状态3状态图
开关状态2（t1-t2）开关管VT1、VT2同时导通，输入电流从电源正极分别流经电感L1、L2、开关管VT1、VT2到电源负极，形成两个闭合回路；同时输出电容Cout给负载供电维持输出电压的稳定。此时的开关管两端电压为零，电感电流呈线性增长，电容C1、C2及二极管两端电压被箝位。由于在t1时刻电感L1的电流刚好减小到零，所以：
（6）
（7）
（8）
开关状态3（t2-t3）开关管VT1导通、VT2关断，输入电流第一条支路由电源正极经电感L1、开关管VT1到电源负极形成一个闭合回路；第二条支路由电源正极经电感L2、二极管D1、电容C1的正极、开关管VT1给电容C1充电，与开关状态1类似。
（9）
（10） （11）
（12）
开关状态4（t3-t4）开关管VT1、VT2又同时导通，电感电流继续线性上升，电容C1、C2及二极管又继续被箝位。在t4时刻，VT1关断，开始下一个周期工作，重复之前的各状态。
（13）
（14）
（15）
2性能分析
2.1 电压增益M
普通的两相交错并联高增益DC＼DC变换器[1]是把升压电容C1、C2取得足够大让其等效成一个电压源进行分析，直接由输入电压加上电感上的压降和电容上的电压达到传统boost变换器的两倍升压效果。而本文所研究的是当升压电容C1、C2不能等效成电压源时该变换器的增益，电感取值依然可以取的较大值将电感等效为电流源进行分析，流入L1、L2的电流相等为输入电流的一半，流入电容C1、C2的电流相等为电感L2电流的一半，该时间内任意时刻电容C1上的电压为：
（16）
而
（17）
由（5）可得，
（18）
（19）
故
（20）
由回路2可知：
（21）
由回路1可知：
（22）
将（21）代入有：
（23）
将此式子化简得，
（24）
即 （25）
由式（26）可知，根据输入输出参数合理设计电容值，占空比，周期值和负载便可实现高升压变换，而在本文中将着重介绍如何在实现ZVS的同时实现普通boost变换器的两倍升压。该增益M只针对电容C1、C2取小时有效，电容C1、C2取大时不满足该条件需用另外方法进行推导。
2.2 ZVS实现条件
根据分析整个周期变换器工作原理可知，要实现ZVS需满足在t3时刻之前，Uc1要上升到Uout，Uc2下降到零伏；
关键词： 高升压比；ZVS；两相交错
0引 言
BOOST变换器由于结构简单、易控制、效率高等优点，现已广泛应用于UPS、功率因数校正、通讯电源等诸多领域。随着新能源技术不断发展，不可再生能源的消耗日益严重，使得燃料电池、太阳能等新型能源在电源领域得到广泛的应用。由于太阳能和燃料电池输出直流电压较低，一般为几十伏到一百来伏之间，不足以为电机、并网逆变器等模块提供所需的高压输入。因此，高效率高升压比直流变换器在燃料电池等新能源领域中不可或缺。
本文提出的高升压比ZVS直流变换器，不需要额外增加谐振电路就可以使开关管和二极管工作在ZVS状态，即开关管零电压关断，二极管零电压开通，可以很大程度的降低开关损耗，提高变换器的效率和功率密度，并搭建仿真和实物进行原理验证。
1工作原理
图1为本文所提出的高升压比ZVS直流变换器主电路及其各状态图，在分析其工作原理之前做如下假设：1）电容C1、C2取临界状态值且C1=C2，Cout足够大，输出电压保持不变。2）电感 L1与 L2 相等且足够大，流过的电流连续；3）所有器件都是理想器件，不考虑寄生参数等的影响。4）开关占空比D>0.5，有源开关VT1、VT2采用相差180°的相位控制。
开关状态1（t0-t1）开关管VT1关断，VT2导通，输入电流第一条支路由电源正极经电感L2、开关管VT2流向电源负极；第二条支路由电源正极经电感L1、二极管D2、VT2给电容C2充电，一部分经二极管D2、D4给负载供电，另一部分直接經电感L1、电容C1、二极管D3给负载供电，此时的电容C1处于放电状态。由于该期间电容C2处于完全充电状态，C1处于完全放电状态，故开关管VT1可实现零电压关断，二极管D4可实现零电压开通。因为电感取值较大所以可设t0时刻流入电感初值保持不变，L2的电流初始值为I0，则：
（1）
（2）
（3）
（4）
其中根据功率守恒定律有：
（5）
R为输出负载电阻阻值，Uout为输出电压值。
（a）开关状态1状态图
（b）开关状态2、4状态图
（c）开关状态3状态图
开关状态2（t1-t2）开关管VT1、VT2同时导通，输入电流从电源正极分别流经电感L1、L2、开关管VT1、VT2到电源负极，形成两个闭合回路；同时输出电容Cout给负载供电维持输出电压的稳定。此时的开关管两端电压为零，电感电流呈线性增长，电容C1、C2及二极管两端电压被箝位。由于在t1时刻电感L1的电流刚好减小到零，所以：
（6）
（7）
（8）
开关状态3（t2-t3）开关管VT1导通、VT2关断，输入电流第一条支路由电源正极经电感L1、开关管VT1到电源负极形成一个闭合回路；第二条支路由电源正极经电感L2、二极管D1、电容C1的正极、开关管VT1给电容C1充电，与开关状态1类似。
（9）
（10） （11）
（12）
开关状态4（t3-t4）开关管VT1、VT2又同时导通，电感电流继续线性上升，电容C1、C2及二极管又继续被箝位。在t4时刻，VT1关断，开始下一个周期工作，重复之前的各状态。
（13）
（14）
（15）
2性能分析
2.1 电压增益M
普通的两相交错并联高增益DC＼DC变换器[1]是把升压电容C1、C2取得足够大让其等效成一个电压源进行分析，直接由输入电压加上电感上的压降和电容上的电压达到传统boost变换器的两倍升压效果。而本文所研究的是当升压电容C1、C2不能等效成电压源时该变换器的增益，电感取值依然可以取的较大值将电感等效为电流源进行分析，流入L1、L2的电流相等为输入电流的一半，流入电容C1、C2的电流相等为电感L2电流的一半，该时间内任意时刻电容C1上的电压为：
（16）
而
（17）
由（5）可得，
（18）
（19）
故
（20）
由回路2可知：
（21）
由回路1可知：
（22）
将（21）代入有：
（23）
将此式子化简得，
（24）
即 （25）
由式（26）可知，根据输入输出参数合理设计电容值，占空比，周期值和负载便可实现高升压变换，而在本文中将着重介绍如何在实现ZVS的同时实现普通boost变换器的两倍升压。该增益M只针对电容C1、C2取小时有效，电容C1、C2取大时不满足该条件需用另外方法进行推导。
2.2 ZVS实现条件
根据分析整个周期变换器工作原理可知，要实现ZVS需满足在t3时刻之前，Uc1要上升到Uout，Uc2下降到零伏；