- 頭條改進型Sepic變換器，滿載效率可達92.6%2020-07-18 作者：高珊珊、王懿杰、徐殿國 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語哈爾濱工業大學電氣工程系的研究人員高珊珊、王懿杰、徐殿國，在2019年第16期《電工技術學報》上撰文指出（論文標題為“一種高頻高升壓比改進型Sepic變換器”），隨著對高電壓增益特性需求的不斷增長，傳統Boost電路由于過大的占空比已不再適用。 該文在傳統Sepic電路的基礎上，通過兩個二極管、三個電容和一個變壓器的集成，提出了一種改進型Sepic變換器。通過采用平面磁性元件，磁心的體積不會增加，同時獲得了較高的電壓增益和較低的電壓應力。此外，實現了開關管的零電壓開通（ZVS），有效降低了由開關頻率的增加而帶來的開關損耗。詳細介紹所提變換器的工作原理和參數設計過程，并制作了80W的樣機，驗證理論分析的準確性，滿載時效率可達到92.6%。
近年來，高電壓增益變換器廣泛應用于光伏、燃料電池堆、不間斷電源等領域。特別地，當系統由低壓電源（如車載系統）供電時，高電壓增益的特性顯得尤為重要。
傳統的Boost變換器因其器件數目少、開關管接地的特點而成為應用最為廣泛的升壓變換器。然而，若要獲得較高的電壓增益，過大的占空比是不可避免的，這將產生功率器件較大的導通損耗和嚴重的反向恢復問題。因此，當電壓增益大于8時，傳統的Boost變換器就不再適用了。
此外，它的開關工作在硬開關模式下，系統的效率較低。為了解決這一問題，在開關管兩端并聯諧振電容，但在這種情況下，電感工作在斷續導通模式（Discon- tinuous Conduction Mode, DCM）下，增加了輸入電流的紋波。
為了提高變換器的電壓增益，近年來出現了許多新型結構，如開關電容、耦合電感、電壓倍增單元等。開關電容是一種應用廣泛的升壓技術，具有結構模塊化和易于集成的優點。然而，開關電容帶來的一個關鍵問題是其具有較高的瞬態電流，降低了功率密度和效率，在一定程度上限制了它的應用。
另一種常見的升壓技術是耦合電感，適用于隔離型和非隔離型DC-DC變換器，以減少磁性元器件的數量。但它的漏感會引起開關電壓的嚴重振蕩，同時降低效率。特別是在高頻條件下，勵磁電感相對較小，漏感帶來的影響會更加嚴重。
電壓倍增單元由一組二極管和電容組成，具有高效、低成本、結構簡單的特點。有學者提出了一種基于電壓倍增單元的Sepic變換器，獲得了高電壓增益及低電壓應力。但是與輸入電壓相連的電感為了限制輸入電流紋波工作在連續導通模式（Con- tinuous Conduction Mode, CCM），開關管無法實現零電壓開通，應用到高頻場合時開關損耗顯著增加。
近年來，電力電子變換器向著高頻、高效、高功率密度的方向不斷發展。高頻化不但可以減小磁性元件的體積、降低成本、提高功率密度，而且可以獲得更好的動態響應。但是隨之而來的挑戰是如何解決開關頻率的增加引起的高開關損耗問題。因此，軟開關特性是評價高頻變換器的重要指標之一。
本文提出了一種高頻高升壓比改進型Sepic變換器，通過一些器件的集成，同時實現了高電壓增益和低電壓應力，具有良好的軟開關特性。為提高功率密度，還采用了平面磁性元件。本文首先詳細介紹了變換器的工作原理；其次介紹了參數的計算及電壓增益的推導，并給出了磁性元件的設計過程；最后給出了實驗結果及結論。
圖1 改進型Sepic變換器拓撲結構
圖7 樣機實物圖
總結
本文提出了一種具有軟開關特性和低電壓應力的高頻高電壓增益改進型Sepic變換器。通過二極管、電容等元器件的集成，改變了傳統Sepic變換器的固有特性，獲得了更好的性能。特別是在加入變壓器后，電壓增益進一步提高。本文詳細介紹了所提變換器的工作原理和設計過程。設計制作了一臺80W的樣機，實驗結果與理論分析相符。該系統在滿載時效率可達到92.6%。
