辽宁工程技术大学李洪珠教授团队提出一种基于三绕组耦合电感与改进型开关电容的单开关高增益DC-DC变换器

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导语

在新能源发电和直流配电系统中，光伏组件、燃料电池和储能电池等输出电压通常较低，而后级逆变器或直流母线往往需要较高电压等级。传统Boost变换器虽然结构简单，但在高升压场合通常需要较大占空比，容易带来器件电压应力升高、导通损耗增加、效率下降等问题。耦合电感、开关电容和无源钳位技术是提升变换器增益和抑制电压尖峰的重要方法。然而，如何在不显著增加元器件数量和控制复杂度的前提下，同时实现高电压增益、低开关应力和高转换效率，仍是高增益DC-DC变换器研究中的重点问题。

研究背景

在“双碳”目标和新型电力系统建设背景下，光伏发电、燃料电池等低压直流电源得到了广泛应用。然而，这类电源的输出电压通常较低，难以直接满足后级逆变器或直流母线的电压需求，需通过高增益DC-DC变换器完成电压提升。

传统Boost变换器虽然结构简单，但在高升压场合往往需要较大的占空比，容易带来器件电压应力高、损耗增加、效率下降等问题。耦合电感、开关电容、无源钳位等技术能够提升变换器升压能力，但如何在高电压增益、低器件应力、低损耗和结构简洁之间取得平衡，仍是高增益DC-DC变换器研究中的关键问题。

论文所解决的问题及意义

团队针对非隔离型DC-DC变换器升压能力不足、开关器件应力较高、漏感能量易引起电压尖峰等问题，团队提出了基于三绕组耦合电感与改进型开关电容的单开关高增益DC-DC变换器。通过在Boost变换器中引入三绕组耦合电感，并将开关电容与无源钳位支路进行融合，构建出兼具漏感能量吸收和电压倍增功能的改进型倍压单元。所构造的变换器通过利用三绕组耦合电感与改进型开关电容即提升了变换器的电压增益，又将漏感能量回收并传递至输出侧，从而抑制半导体器件的电压尖峰，降低器件电压应力。

本工作在保持单开关结构和简单控制方式的基础上，实现了较高升压能力、较低开关管电压应力和较好的软开关特性，为新能源发电、电动汽车及直流微电网等系统中的高效率功率接口提供了参考方案。

论文方法及创新点

HSS-TWCI-MSC的拓扑推演过程如图1所示。首先，将Boost变换器的输入电感替换为TWCI，并引入开关电容与无源钳位支路吸收TWCI副边漏感中的能量。在此基础上，进一步将开关电容与无源钳位支路进行融合，构建出一种既可吸收漏感能量、又具备更好升压能力的改进型倍压单元。

本工作主要创新点体现在以下几个方面：

1、构造了三绕组耦合电感与改进型开关电容融合的高增益变换器。所构造的HSS-TWCI-MSC拓扑能够同时利用耦合电感匝比增益和开关电容倍压作用，在较低输入电压条件下实现较高输出电压。

2、实现了漏感能量的有效利用与抑制。本文通过改进型开关电容与无源钳位支路的融合结构，将漏感能量吸收并转移到输出侧，降低了器件应力。

3、降低了半导体器件电压应力。实验结果表明，在36 V输入、400 V输出条件下，开关管电压应力约为90V，仅为输出电压的0.225倍，有利于选用低耐压、低导通电阻器件，从而进一步降低系统损耗。

4、改善了软开关与二极管反向恢复特性。该变换器利用三绕组耦合电感的漏感实现开关管零电流开通，同时降低二极管电流变化率，缓解二极管反向恢复问题，有助于提升系统效率。

5、结构简洁、控制方便。所提变换器仅采用一个主开关管，控制策略简单，器件数量较少，有利于降低系统复杂度和实现成本。

图1 HSS-TWCI-MSC的拓扑推演过程

图2 测试平台

图3 HSS-TWCI-MSC在额定工况下的损耗分布

结论

本工作提出了一种基于三绕组耦合电感与改进型开关电容的单开关高增益DC-DC变换器，并详细地分析了HSS-TWCI-MSC的工作原理及性能。搭建一台400 W的实验样机来验证理论分析。实验结果验证了所提HSS-TWCI-MSC具有以下优点：

1）通过将吸收TWCI副边漏感能量的开关电容与无源钳位支路有机融合，构建了新型倍压结构，在有效提升电压增益的同时，显著抑制了半导体器件上的电压应力；

2）利用TWCI与改进型开关电容，所提HSS-TWCI-MSC在实现较高电压增益的同时，具有较低的电压应力，有助于选用成本更低、性能更优的半导体器件；

3）利用TWCI的漏感实现了开关管的ZCS开通，同时抑制了二极管电流下降速率，减缓了其反向恢复问题，降低了反向恢复损耗，有助于提升系统整体效率；

4）所提HSS-TWCI-MSC中只有一个开关管，控制策略简单，有利于系统的实现与稳定运行。

综上，所提HSS-TWCI-MSC在高增益、低应力与高效率等方面具有良好性能，特别适用于新能源发电、光伏并网及电动汽车等对电压增益与效率要求较高的场合。

团队介绍

论文作者来自辽宁工程技术大学电气与控制工程学院“智能电力电子与高效电能变换技术”团队。团队负责人为李洪珠教授，团队先后主持/承担国家自然科学基金项目、辽宁省级科技项目、企业科研课题20余项，为矿山电气设备与电力电子关键技术辽宁省高等学校创新团队，依托中德合作电力电子与电力传动重点实验室，长期围绕高效电能变换拓扑与磁集成技术、人工智能驱动的电力电子变换器智能设计与优化控制、多端口电力电子变换器与新能源并网技术、电力电子系统智能感知与预测等研究方向开展研究。

李超

博士研究生，研究方向为电力电子与电能变换。

李洪珠

博士，教授，博士生导师，辽宁工程技术大学电气与控制工程学院院长，辽宁省百千万人才千人层次人选，中国电工技术学会第十届理事会理事，IEEE 高级会员，研究方向为电力电子变换器及磁集成技术。

孙瑄瑨

博士，讲师，硕士生导师，研究方向为电力电子及其磁集成技术。

本工作成果发表在2026年第11期《电工技术学报》，论文标题为"基于三绕组耦合电感与改进型开关电容的单开关高增益DC-DC变换器"。本课题得到国家自然科学基金项目、辽宁省教育厅基本科研项目和辽宁省自然科学基金博士科研启动项目资助。

引用本文

李超, 李洪珠, 孙瑄瑨. 基于三绕组耦合电感与改进型开关电容的单开关高增益DC-DC变换器[J]. 电工技术学报, 2026, 41(11): 3786-3798. Li Chao, Li Hongzhu, Sun Xuanjin. High Gain Single-Switch DC-DC Converter with Three-Winding Coupled Inductor and Modified Switched-Capacitor. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(11): 3786-3798.