燃料电池是一种高效、高功率密度的清洁能源，在汽车、航天等领域具有良好的应用前景。然而，在燃料电池的应用中主要有两个挑战：①燃料电池不能独立工作，需要辅助设备，增加了系统体积，降低了系统功率密度，因此，功率密度是DC-DC变换器的一个重要因素；②燃料电池输出电压低，变化范围大，需要高电压转换比的DC-DC变换器将低压转换为恒高压。

传统Boost升压变换器在普通升压应用中简单有效，但在燃料电池汽车等高压升压应用中效率低下。为了满足燃料电池汽车对DC-DC变换器的要求，研究人员提出了多种技术：1）通过串联两个或多个基本升压变换器级联获得高电压增益，但不适用于需要高功率密度的应用；2）通过电容的并联充电和串联放电来实现高电压增益，这种方法需要大量的元器件，增加了系统的复杂性，降低了功率密度；3）利用倍压电路实现高电压转换比，这种方法简单但单独使用效果不是很好，通常与其他方法结合使用。

实现高电压增益最常用的技术是采用耦合电感的变换器。有研究人员将耦合电感的概念应用到升压变换器中，其中提出的拓扑结构可以通过调整占空比和一次、二次侧的匝数来获得高电压增益。然而，该电路的漏感会在开关断开时造成一个较大的电压尖峰。为了解决这一问题，有学者在此电路的基础上增加了无源或有源钳位电路来吸收泄漏电感中存储的能量。虽然钳位电路可以抑制开关的电压尖峰，但是耦合电感的加入使得开关管的电流应力变得很大。

为了实现基于耦合电感的谐振变换器的软开关运行，电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室（清华大学）的王哲、李驰 等，提出了一种具有高增益、软开关的新型谐振变换器。

图1 提出的基于耦合电感的高增益谐振型变换器拓扑

该谐振变换器使用耦合电感来提高电压增益，升压比不仅取决于占空比，还取决于耦合电感的变比，具有高增益的优点。此外，由于采用了有源钳位技术，漏感中的能量可以被回收利用，用来对开关管的结电容充放电提供能量，从而实现软开关。由于采用了耦合电感，所提出的变换器可以在较低的开关管电压应力的情况下实现较高的输出电压，因此可以使用低导通电阻的低压器件，从而提升系统的效率。

图2 1 kW实验样机

研究者分析了该谐振变换器的工作原理，并推导了输出电压、关断电流应力等参数的解析表达式。在此基础上，从理论上分析了该变换器取得软开关的条件，并对该变换器的各个器件的电压电流应力进行分析，为器件选型提供了理论依据。

图3 效率曲线

他们最后搭建1 kW实验样机，针对该基于耦合电感的谐振变换器的高增益、软开关、低电压应力、高效率等性能进行实验验证。通过实验得出所提出的拓扑可以在10倍增益的情况下达到最高97.5%的效率，表明所提拓扑的优越性。

本工作成果发表在2024年第1期《电工技术学报》，论文标题为“一种基于耦合电感的高增益软开关谐振变换器”。本课题得到广东省重点领域研发计划的支持。