学术简报｜改进型Sepic变换器，满载效率可达92.6%

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摘要

哈尔滨工业大学电气工程系的研究人员高珊珊、王懿杰、徐殿国，在2019年第16期《电工技术学报》上撰文指出（论文标题为“一种高频高升压比改进型Sepic变换器”），随着对高电压增益特性需求的不断增长，传统Boost电路由于过大的占空比已不再适用。

该文在传统Sepic电路的基础上，通过两个二极管、三个电容和一个变压器的集成，提出了一种改进型Sepic变换器。通过采用平面磁性元件，磁心的体积不会增加，同时获得了较高的电压增益和较低的电压应力。此外，实现了开关管的零电压开通（ZVS），有效降低了由开关频率的增加而带来的开关损耗。详细介绍所提变换器的工作原理和参数设计过程，并制作了80W的样机，验证理论分析的准确性，满载时效率可达到92.6%。

近年来，高电压增益变换器广泛应用于光伏、燃料电池堆、不间断电源等领域。特别地，当系统由低压电源（如车载系统）供电时，高电压增益的特性显得尤为重要。

传统的Boost变换器因其器件数目少、开关管接地的特点而成为应用最为广泛的升压变换器。然而，若要获得较高的电压增益，过大的占空比是不可避免的，这将产生功率器件较大的导通损耗和严重的反向恢复问题。因此，当电压增益大于8时，传统的Boost变换器就不再适用了。

此外，它的开关工作在硬开关模式下，系统的效率较低。为了解决这一问题，在开关管两端并联谐振电容，但在这种情况下，电感工作在断续导通模式（Discon- tinuous Conduction Mode, DCM）下，增加了输入电流的纹波。

为了提高变换器的电压增益，近年来出现了许多新型结构，如开关电容、耦合电感、电压倍增单元等。开关电容是一种应用广泛的升压技术，具有结构模块化和易于集成的优点。然而，开关电容带来的一个关键问题是其具有较高的瞬态电流，降低了功率密度和效率，在一定程度上限制了它的应用。

另一种常见的升压技术是耦合电感，适用于隔离型和非隔离型DC-DC变换器，以减少磁性元器件的数量。但它的漏感会引起开关电压的严重振荡，同时降低效率。特别是在高频条件下，励磁电感相对较小，漏感带来的影响会更加严重。

电压倍增单元由一组二极管和电容组成，具有高效、低成本、结构简单的特点。有学者提出了一种基于电压倍增单元的Sepic变换器，获得了高电压增益及低电压应力。但是与输入电压相连的电感为了限制输入电流纹波工作在连续导通模式（Con- tinuous Conduction Mode, CCM），开关管无法实现零电压开通，应用到高频场合时开关损耗显著增加。

近年来，电力电子变换器向着高频、高效、高功率密度的方向不断发展。高频化不但可以减小磁性元件的体积、降低成本、提高功率密度，而且可以获得更好的动态响应。但是随之而来的挑战是如何解决开关频率的增加引起的高开关损耗问题。因此，软开关特性是评价高频变换器的重要指标之一。

本文提出了一种高频高升压比改进型Sepic变换器，通过一些器件的集成，同时实现了高电压增益和低电压应力，具有良好的软开关特性。为提高功率密度，还采用了平面磁性元件。本文首先详细介绍了变换器的工作原理；其次介绍了参数的计算及电压增益的推导，并给出了磁性元件的设计过程；最后给出了实验结果及结论。

图1  改进型Sepic变换器拓扑结构

图7  样机实物图

总结

本文提出了一种具有软开关特性和低电压应力的高频高电压增益改进型Sepic变换器。通过二极管、电容等元器件的集成，改变了传统Sepic变换器的固有特性，获得了更好的性能。特别是在加入变压器后，电压增益进一步提高。本文详细介绍了所提变换器的工作原理和设计过程。设计制作了一台80W的样机，实验结果与理论分析相符。该系统在满载时效率可达到92.6%。

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