一种具有高电压增益、软开关能力和最小相特性的升压型DC-DC变换器

为什么提升低电压很重要

从屋顶太阳能板到电动汽车再到微型电子设备，许多现代系统的起始电压为较低且常波动的直流电，需要被干净且高效地提升到更高的电平。用当今的升压型“boost”变换器来实现这一点比听起来更复杂：当电压被提升到很高时，电路可能难以控制、将能量以热量形式浪费，并且对变化响应迟缓。本文提出了一种新的构建升压直流-直流变换器的方法，它在实现大幅电压提升的同时保持高效率，并且具有更可预测、更易控制的行为。

在不引发常见问题的情况下把小电压变大

传统升压变换器是电力电子领域的主力，但在高增益情况下它们会出现一种称为非最小相响应的动态怪象。通俗地说，当你要求输出电压上升时，电压会短暂反向下陷然后才恢复，这会减慢控制速度并可能使敏感系统不稳定。为克服这一点，作者设计了一种新的变换器拓扑，结合了若干想法：有意将线圈绕组耦合在一起的磁性元件、能主动切换电感网络以塑造电流流向的拓扑，以及在开关导通期间把部分输入能量直接送到输出的前向能量通路。综合这些特性，该变换器能够在避免常见控制并发症的前提下，将24伏输入提升到约400伏。

更平缓的开关以降低损耗

每当功率晶体管或二极管开关时，器件可能在瞬间承受高电流和高电压并同时存在，从而把能量以热量形式浪费并加剧器件应力。所提出的电路安排使其两个主开关在电流几乎为零时导通，且二极管在类似的温和条件下关断。通过精心选择磁性元件的尺寸并利用少量可控的漏感来减缓电流过渡，实现了这种“软开关”。结果是开关损耗显著降低，各元件产生的热量分布更均匀，热性能得到改善，并允许使用更小、更便宜的元件。

在不惩罚硬件的情况下实现高电压增益

在定性思想之外，作者进行了完整的稳态分析，计算了电容、电感、开关和二极管上电压与电流的分布。他们表明输出电压可以表示为占空比（每个周期开关导通时间的比例）和耦合电感匝比的简单函数。对于合理的设计选择，该变换器在中等占空比下即可实现非常高的升压比，这对电池或光伏板供电的系统非常有用。最关键的是，有源开关上的电压仅为输出电压的一小部分，因此器件承受的电气应力远低于许多竞争设计。这不仅提高了可靠性，还提高了总体效率——实验室测试在满载时测得约96.6%的效率。

对变化更平稳、更配合的响应

为了解变换器在条件变化时的行为，作者建立了一个小信号数学模型，捕捉输出电压对占空比调整的响应。在常见系统中，响应中的不良“右半平面零点”会导致最初的反向电压下陷。本文通过使用磁耦合和前向能量通路，将这些问题特征移到复平面的安全侧，使电路呈现最小相特性。实际上，这意味着输出会立即朝预期方向响应，因此设计人员可以使用更简单且带宽更高的控制器。仿真和实验均证明，当负载或电压参考突变时，输出电压仅有轻微的超调或下陷并快速稳定，而传统升压变换器则表现出明显的暂时下陷。

这对未来能源系统的帮助

把这些要素结合在一起，所提出的变换器提供了一个罕见的组合：非常高的电压增益、对元件的温和电应力，以及快速且可预测的变化响应。对于非电力电子领域的读者，关键信息是作者找到了一种比以往更干净、更高效地将低且可变的直流源转换为高且稳定电压的方法。这类电路可以使可再生能源接口、电动汽车和紧凑电源更加可靠、体积更小、运行更冷，有助于现代能源系统中的电子设备更接近其理想行为。

引用: Salehi, S.M., Varjani, A.Y. A step-up DC-DC converter with high voltage gain and soft switched capability and minimum phase characteristic. Sci Rep 16, 9763 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40326-8

关键词: DC-DC 变换器, 高电压增益, 软开关, 耦合电感, 电力电子控制