随着新能源发电、电动汽车及微电网技术的快速发展，在电力变换过程中由于单体电源发出的直流电压较低，需要在系统前端增设一个直流升压变换器将发出的低电压升高以便应用。由于传统型升压直流变换器开关需要的导通时间较长，导通损耗增大，输入电流纹波增大、电路的转换效率降低，且在实际运用中开关频率也会受到多方面限制，这对当前的直流开关变换器提出了小型化、轻量化、高性能和可靠性更高的要求。
由上海电力学院屈克庆教授团队完成的《电力变换器中高增益拓扑关键技术及应用》项目，在上海市科委重点科技攻关项目、上海市科委浦江计划、上海市教委科研创新重点项目等的支持下，历经五年多刻苦攻关，突破高增益直流变换器拓扑及演化关键技术，研发了高增益直流变换器系列产品并推广应用，荣获2019年度上海市技术发明三等奖。
升压变换器基本原理
升压变换器也称为Boost变换器或升压斩波器，是可以提升电压的DC-DC转换器，其输出（负载）电压会比输入（电源）电压要高。升压变换器电路是至少含有2个半导体元件（1个二极管及1个晶体管）及至少一个储能元件（电感器）。为了降低电压纹波，会在输入端及输出端加装用电容器制作（有时也会配合电感器）的滤波器。
升压变换器的电源可以用任何适合的直流电源，例如电池、太阳能板、整流子或是直流发电机等。DC-DC转换器可以将某个电压的直流电转换为不同电压的直流电。升压变换器是会提高电压的DC-DC转换器，其输出电压会较输入电压要高。不过因为功率必须守恒，即使在假设效率为100%的条件下，其输出电流都会小于输入电流。
升压变换器的基本原理就是利用电抗器在电流变化时会产生或消除磁场，来抵抗电流的变化。在升压变换器中，输出电压恒大于输入电压，其电路原理如下图所示。
(1)当开关（功率器件）导通时，电流以从左至右的方向经过电感器，电感器开始产生磁场来储存能量，电感器的左侧为正极。
(2)当开关（功率器件）断开时，因为其阻抗较大，电流会下降，之前产生的磁场会慢慢减少，设法提供负载的电流。电感器的极性会倒转（左侧变为为负极）。因此2个电压源会叠加，经过二极管来为电容器充电。
若开关切换频率够高，电感器在二次的充电之间，不会完全放电到零电压。若开关开路时，负载会持续接收到比输入电压要大的电压，此时和负载并联的电容器也同时充电；若开关导通时，二极管逆向偏压无法导通，也避免电容器通过导通的开关来放电，此时就由电容器来提供负载电源。当然也需要开关频率高，以免电容器放电过多。
关键研发突破点
为了获得较高的电压转换增益，通常的方法：① 在传统型升压直流变换器中采用较大的占空比来获得高增益；② 多级联接方法；③ 采用变压器、耦合电感等。
多级联接方法在结构上使得主电路拓扑较为复杂，制造成本增加，控制的难度增大，电路效率降低。变压器和耦合电感的漏电感和寄生电容极易导致高频振荡发生，产生开关电压尖峰和 EMI。为了抑制各种寄生参数产生的尖峰信号和EMI、必须额外设计缓冲电路，造成器件数量增加和转换效率降低，并使设计流程复杂化。主开关的电压应力被输出电压钳位，必须选择耐压等级较高的功率器件，提高了硬件成本，增加了主开关导通阻抗，降低了转换效率。
为了突破转换效率、增益的瓶颈，屈克庆教授团队着力从以下三个方面进行研发。
（1）高增益低开关应力的直流升压变换器
在传统型升压直流变换器拓扑结构的基础上，通过采用 X 型Z 源网络以及简单的电感和电容串并连方式，分别实现单级直流变换器和两级变换器的电路拓扑结构。不仅可以获得较高的电压转换增益，而且还降低加在主开关两端的电压应力、降低输入电流的峰值、并减小导通损耗，有效地实现了直流变换器高效、小型、低噪音、低成本的应用目标。
（2）基于电荷泵电容的倍压型直流变换器
通过采用电荷泵电容接入二极管和电感，有效减小了开关的导通占空比，从而减小导通损耗；输入电流的峰值以及输出电压的纹波随着导通时间的缩短而有效的降低，主开关的电压应力随之降低，对开关器件的耐压等级要求有所降低，从而减少了成本。具有电压增益升高、导通损耗小、成本、电路结构简单等优点。
（3）零电压开关准谐振高增益直流升压变换器
针对在硬开关条件下的改进型升压直流变换器以及具有耦合电感和倍压电容的高增益直流变换器，在原来的直流升压变换器中通过增加 LC 谐振电路，形成辅助换流网络，构成软开关条件。在开关过程前后引入谐振过程，使得开关开通前电压先降为零，从而消除了开关过程中的电压电流重叠，降低其变化率，大大减小开关损耗和开关噪声，同时还具有结构简单、控制方便、易于实现等优点。
研发成果
该项目获得授权发明专利 7 项，实用新型 2 项，公开发明专利 2 项，发表 SCI/EI 论文 26 篇，据 SCI 检索和 EI 检索数据库统计， 引用次数达 25 次，多次在电力电子高水平期刊 IEEE Transaction on industry electronics、Electronics Letters 和电工技术学报中引用。经中国科学院上海科技查询中心查新评价，该项目具有新颖性，综合技术达到国内领先水平。
（1）Z源高增益直流升压变换器获得授权发明专利。该变换器的增益为3/(1-d)，传统变换器增益1/(1-d)。其中d为第一主开关、第二主开关的占空比。
（2）一种基于电荷泵电容的倍压型直流变换器获得授权发明专利。电路包括输入电源、主开关回路、续流二极管、输出电容和负载,以及辅助电源。辅助电源的电压值为输入电源电压值的n倍, n≥0 。该变换器的增益为(2+n)/(1-d)，传统变换器增益1/(1-d)。其中d为第一主开关、第二主开关的占空比。
（3）零电压开关准谐振高增益直流升压变换器获得授权发明专利。本发明电路中的谐振减缓了开关过程中的电压、电流变化率；主开关S1和S2两端的电压在其开通前就降为零，使得开关损耗和开关噪声降低；现有技术中硬开关与本发明软开关条件下输入输出功率对比，软开关条件下电路效率较高；电路拓扑结构简单；与现有技术硬开关条件下的改进型升压直流变换器相比，零电压开关准谐振高增益直流升压变换器可满足简单高效、轻量化和低噪音的要求。
结语
上海电力学院屈克庆教授团队专注直流升压变换器，演变和完善各种拓扑结构，突破传统定式，提高增益比和转换效率。所有这些不仅仅停留在实验室，而是广泛开拓途径，积极进行推广，并获得实用性推广。专注于一点，做足功夫，深挖技术，这是值得我们技术工作者崇尚的工作模式。
