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A Survey on Voltage Boosting Techniques for Step-Up DC-DC Converters升压型DC-DC变换器升压技术综述

Mojtaba Forouzesh, Yam P. Siwakoti, Saman A. Gorji, Frede Blaabjerg, Brad Lehman

丹麦奥尔堡奥尔堡大学能源技术系，澳大利亚山楂州斯温伯恩理工大学软件与电气工程学院

美国波士顿东北大学电气与计算机工程系

摘要

升压型dc-dc变换器是将输入端的较低的电压电平提升到更高的输出电平。基本型boost-dc-dc变换器具有实现简单等特点，但存在升压能力低、功率密度低等缺点。由于这些局限性，新的升压技术的研究对于各种功率变换器的应用是不可避免的。这可以通过附加磁场或带有不同配置的开关元件（开关和/或二极管）的电场存储元件来实现。这种一次电压升压技术和拓扑结构的组合很大，有时可能使用时不太好理解，难以适应不同的应用。从这些方面出发，为了清晰地勾勒出各种升压技术的一般规律和框架，本文综合评述了各种升压技术，并根据其电路性能对其进行了分类。

引言

随着不同半导体开关器件、更好的磁性材料和相关技术的出现，开关模式升压型dc-dc变换器得到了极大的扩展。目前，各种升压型dc-dc变换器在各种功率变换应用中普遍存在。这些高升压变换器不仅在可再生能源系统和工业中很受欢迎，而且在物理、医疗、军事、交通和许多其他需要输入电压升压的应用中也有很高的需求[1][2]。考虑到这些问题，为了满足不同功率应用对高阶跃变换器的日益增长的需求，文献中介绍了各种升压技术。

基本boost转换器有几个特点，使其适合各种应用，从低功率便携式设备到高功率静止应用。然而，传统的boost变换器尽管有其优点，但也存在一些缺点，即：输出二极管的硬开关和严重的反向恢复都会导致低效率；由于右半平面（RHP）零点的非最小相位（NMP）特性，导致了严格的控制设计；低电压增益，开关占空比适中，功率密度低，导致高压/功率应用中的低效率运行。传统boost-dc-dc变换器的一些缺点导致人们广泛地研究和发现了具有所需特性的高阶dc-dc功率变换器的新拓扑和新技术，例如更好的动态性、稳定性和可靠性以及更高的功率密度、效率、电源抑制比（PSRR），带宽和低电磁干扰（EMI）、损耗、纹波和成本。

关于上述注意事项，毫无疑问，对于各种电力应用的可靠、高效、小尺寸和轻重量的升压dc-dc变换器的需求是不断和强烈的。为满足各种高升压应用的强烈需求，文献中普遍采用了几种采用不同升压技术的升压dc-dc变换器拓扑，如多级、交错、级联或使用电压倍增、开关电容/电感和耦合电感[3]-[70]。这些一次升压技术与各种开关拓扑和开关单元的排列和组合，形成了大量的拓扑结构，这些拓扑结构不仅容易混淆，而且很难适应特定的应用。

本文介绍了国内外首次采用的各种升压技术，旨在为学术界和工业界的研究人员提供一个“一站式”的信息源和升压技术的选择指南。为了在文献中为研究人员提供所提出的升压dc-dc变换器的全局图，本文第二节对各种结构进行了调查和分类。此外，电压提升技术被分为多个组，并伴随着它们的子组，使读者能够更深入地理解每一种技术，从而有可能进行新的设计机会。文中还对这些技术进行了比较，列举了每种技术在具体应用中的优缺点。

2.升压技术

从有了升压型dc-dc变换器开始，各种升压技术就被应用于这些变换器中。图1示出了可在文献中找到的电压提升技术的广泛分类。

2.1多级增压

提高变换器电压增益的第一个常用方法是在不同的连接中使用几个级的变换器模块。在本小节中，我们将介绍级联、交错和多级转换器拓扑。根据所使用的拓扑结构，所述电压提升技术中的电压增益线性或指数地增加（通常以级数倍增）。

2.1.1级联

级联是提高电压增益的一种简单方法。图2（a）示出了级联dc-dc转换器的一般结构[3]。图2（b）示出了级联boost转换器，其由级联形式的两个boost转换器组成[4]。第一级电压应力较低，可高频工作。因此，它是高功率密度的受益者。相反，第二级可以低频操作以减少开关损耗。图2（c）示出了具有低电容电压应力的二次boost转换器[5]。二次型boost变换器比传统的boost变换器具有更宽的电压增益范围，适用于电压增益受限的场合。它们还可以在占空比变化较小的情况下工作，从而简化了设计过程并提高了性能[6]。图2（d）示出了混合级联dc-dc转换器的一般结构。这些电路通常由二次型boost变换器和电压倍增电路组成。在[7]中，第一级为二次boost结构，第二级为耦合电感模块，输出电容串联的级联dc-dc变换器（见图2（e））。在[8]中，二次升压和耦合电感技术的组合用于实现高电压增益（见图2（f））。文献[9]提出了二次型boost变换器与电压倍增单元的另一种组合。借助于上述变换器中的电压倍增电路，这些基于二次boost的变换器的电压增益足以满足高压应用的需要。

2.1.2交错并联

在文献[10][17]中可以找到各种具有开关电容电压倍增器的交错并联dc-dc变换器。图3（b）所示为具有磁耦合倍增电路的交错boost转换器。该变换器是交错boost变换器与输出端电压倍增单元的级联连接[10]。图3（c）示出了用于交织转换器的具有无源无损单缓冲电路的乘法器boost模块[11]。电容器CS起到关断缓冲器的作用，用来减小开关损耗。交错拓扑中耦合电感升压单元的一个重要考虑因素是缓冲电路的优化设计，以回收漏能。图3（d）中示出了另一个基于耦合电感的交织转换器。由于开关电容器的固有电压和耦合电感的匝数比的双重作用，可以通过乘法器模块获得较高的电压增益。

绕组交叉耦合电感（WCCI）的概念被引入到交错并联dc-dc变换器中，以实现高阶跃和高阶跃。图3（e）示出了WCCI的基本结构，其中三绕组耦合电感用于提高电压电平。两个绕组在一个相位，第三个绕组插入另一个相位。可以使用有源钳位器或无源钳位器来回收泄漏能量并吸收由泄漏电感引起的电压尖峰[14]。图3（f）示出了可用于提高电压水平的三绕组内置变压器[15]。在该变换器中，漏能得到有效回收，电压尖峰被各相有源箝位电路吸收。如图3（g）所示，通过将开关电容电压乘法器与先前的电路[16]一起使用，可以进一步提高升压能力。除了上述电路外，文献[17]中还发现了隔离交错并联dc-dc变换器，该变换器基于并联输入和串联输出的概念。

2.1.3多电平

多电平dc-dc变换器作为高功率和/或高压应用的首选器件，在工业界和学术界引起了广泛的关注。采用dc-dc结构的多电平变换器有助于减少或几乎消除磁元件，从而降低变换器的成本、尺寸和重量[18]。从输入电压的角度看，多电平变换器可分为两大类：单直流源变换器和多直流源变换器。电动汽车、牵引电机等需要采用单直流源多电平结构，而光伏、燃料电池等模块化可再生能源则需要采用级联结构的多直流源多电平变换器。

模块化多电平开关电容结构是单输入多电平dc-dc变换器的主要组成部分[19]。该组的基本结构如图4（A）所示。这类多电平变换器的变换器模块通常由开关电容结构组成。在图4（b）中，具有一个电容器的三开关模块被示为用于提高直流电压水平的基本模块，这也被称为多电平转换器的电容钳位模块[20]。在图4（c）中，示出了另一个dc-dc模块，其利用两个电容器和四个开关将dc输入电压加倍[21]。除了前面提到的多电平结构外，具有二极管钳位和飞电容的多电平dc-dc变换器可以在单个dc输入源下进行分类，具体原理在[22]中有所解释。

光伏或FC模块可以与其串联，以提高输出电压水平。每个模块应使用dc-dc转换器来调节输出电压水平。另一方面，这些源可以连接到级联多级连接。已经证明，这些电源的模块化连接导致更高的可靠性和安全/保护，以及更低的维护和成本等[23]。图4（d）示出了级联多电平转换器的一般结构。然而，这组多电平变换器由低压dc-dc变换器模块的级联连接组成，也被称为模块化多电平变换器（MMC）。

2.2开关电容器（电荷泵）

开关电容（SC）是一种基于电荷泵（CP）概念的电压升压技术，广泛应用于各种变换器中。SC电路由于其高功率密度和片上集成的适当性而受到广泛的欢迎。一些流行的SC电路在图5（a）（d）[24]中示出。如图5（a）所示的倍压器SC是基于两相SC倍压器的，其中开关器件是开和关互补的（第一阶段为奇数开关（I），第二阶段为偶数开关（II）），并且每个阶段的输出电压是输入电压值的两倍。图5（b）示出了阶梯SC，其由两组（或阶梯）电容器组成。通过改变电容器下阶梯中的输入电压节点，可以从阶梯SC获得不同的电压增益。图5（c）显示了Dickson SC型，它可以用作电压倍增器。在带有二极管而不是有源开关的Dickson电荷泵中，需要两个具有适当相移的脉冲串来驱动开关器件，通常在几万赫兹，但有时也可以高达兆赫。Makowski SC型如图5（d）所示，它可以以较少的设备要求提供高压升压能力。这种SC电路也被称为Fibonacci型，因为它的电压增益特性根据Fibonacci数而增加。另一方面，Dickson型电荷泵中的电压增益与功率级数成线性关系，其中输出电压理论上等于N*Vin，其中N是电荷泵级数。而Makowski型电荷泵的电压增益随开关器件的增加呈指数增长。SC电路固有的高瞬态电流尖峰会限制这些转换器的功率密度和效率。在[25]中，提出了一种在SC变换器上实现软充电或谐振工作模式的通用方法。该技术在现有的SC拓扑电路中增加了一个附加电感，与传统的SC电路相比，最终可以获得更高的效率和功率密度。

图5（e）示出了具有SC转换器的共同特征的SC-dc-dc转换器，例如小尺寸和轻量化。此外，该变换器具有连续输入电流波形的突出特点[26]。类似于图5（e）中所示的转换器在[27]中用有源开关而不是二极管来表示。图5（f）所示为另一个具有谐振操作的SC-dc-dc转换器。在这种拓扑结构中，只有在第一级使用一个小的谐振电感来实现零电流开关。因此，通常存在于经典SC转换器中的电流尖峰可以被消除[28]。多电平模块化电容箝位dc-dc转换器（MMCCC）如图5（g）所示。该变换器继承了模块化结构以获得所需的电压增益，具有简单的栅极驱动、故障旁路和双向管理能力的高功率传输[20]。此外，文[19]中给出了所述MMCCC的零电流开关操作。该变换器利用每个SC模块的分布杂散电感为开关器件提供零电流开断。从而降低了电压和电流尖峰，降低了功率损耗，提高了效率。在所提到的SC变换器中，只演示了一些低阶的电压倍增。但是，基本SC单元或模块在转换器结构中突出显示。图5（h）示出了具有分布式总电容额定电压的对称模块化SC-dc-dc转换器。由于该结构的模块化，该转换器能够实现高电压增益，同时要求输出电容器具有低电容和低电压额定值[21]。文献[29]中介绍了一种新的具有对称二极管电容单元的SC变换器，它仅使用两个开关（见图5（i））。该变换器具有单元结构灵活、开关控制简单、各器件电压应力相对较低的优点。

2.3电压倍增器

电压倍增电路是一种高效、低成本、简单的拓扑结构，通常由二极管和电容组成，以获得高的直流输出电压。从结构上看，可以分为两大类。1） 为了降低电压应力，通常在主开关之后的电路中间实现的内循环电压倍增器单元（VMC）（见图6（a））。2） 电压倍增整流器（VMR）在变压器输出级和耦合电感的基础上，对交流或脉动直流电压进行整流，同时兼作电压倍增器。

由于在许多应用中需要输入电压的倍增，这些单元由于在各种结构上实现的可行性而受到欢迎。此外，在高频操作中，不需要体积庞大的电容器，这

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