CN102594134A - 单开关高增益boost变换器 - Google Patents

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胡雪峰
李艳
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Abstract

本发明公开的单开关高增益BOOST变换器包括一个直流输入电源、一个功率开关管，一个独立升压电感，一个带有两个绕组的耦合电感，四个单向整流二极管，两个中间储能电容，一个输出滤波电容。与现有的基本BOOST变换器相比，本发明的单开关高增益BOOST变换器在相同占空比的情况下具有更大的升压变比，开关管的电压应力低，控制方便且灵活等特点，非常适用于今后光伏/燃料电池等可再生能源发电系统，具有较好的应用和推广前景。

Description

单开关高增益BOOST变换器
技术领域
本发明涉及直流-直流变换器，具体说是一种单开关高增益BOOST变换器。
技术背景
由于环境，温度等因素的影响，可再生能源的输出电压通常波动较大，且单体的输出电压等级较低，而并网发电系统需要电压较高的直流母线。为了得到并网逆变器所需的直流母线电压，通常将光伏或燃料电池阵列进行串联，然后采用BOOST或两相交错并联BOOST电路进行升压，这两种结构变换器的升压变比相等，输出电压增益较小，当输入电压较低时，为了达到较高的输出电压，其开关导通占空比就会接近于1，功率开关管的电压应力较大，这样一方面会降低变换器的效率，同时开关频率也不易进一步提高。为了达到更高的升压变比，因此研究新型高性能且具有更大升压变比的直流-直流变换器来满足后级并网逆变器的需要，有着重要的理论意义和应用价值。
发明内容：
本发明的目的是提供一种结构简单，开关管数量少，成本低，低开关电压应力的一种单开关高增益BOOST变换器。
为达上述目的，本发明的技术解决方案是，单开关高增益BOOST变换器。如图1所示，包括一个直流输入电源(Vin)，一个功率开关管(T)，一个升压电感(L1)，一个带有两个绕组(L21、L22)的耦合电感，四个单向整流二极管(D1、D2、D3、D4)两个中间储能电容(C1、C2)，一个输出滤波电容(C3)。
如图1所示，所述电路结构如下：直流输入电源(Vin)的正极和升压电感(L1)的一端相连，升压电感(L1)的另一端和单向整流二极管(D1)的阳极相连，单向整流二极管(D1)的阴极和耦合电感的一个绕组(L21)的同名端相连，耦合电感的绕组(L21)的另一端和单向整流二极管(D3)的阳极相连，单向整流二极管(D2)的阳极和单向整流二极管(D1)的阳极相连，单向整流二极管(D3)的阳极和单向整流二极管(D2)的阴极相连，中间储能电容(C1)的一端和单向整流二极管(D1)的阴极相连，中间储能电容(C1)的另一端和功率开关管(T)的源极相连，功率开关管(T)的漏极和单向整流二极管(D3)的阳极相连，中间储能电容(C2)的一端和功率开关管(T)的源极相连，中间储能电容(C2)的另一端和单向整流二极管(D3)的阴极相连，单向整流二极管(D3)的阴极和耦合电感的另一个绕组(L22)的同名端相连，耦合电感的绕组(L22)的另一端和单向整流二极管(D4)的阳极相连，单向整流二极管(D4)的阴极和输出滤波电容(C3)的一端相连，输出滤波电容(C3)的另一端和直流输入电源(Vin)的负极相连，再与功率开关管(T)的源极相连。
本发明的变换器有三种工作模式：功率开关管(T)导通模式，中间储能电容(C2)处于悬浮状态；功率开关管(T)关断，中间储能电容(C2)处于充电状态；功率开关管(T)关断，中间储能电容(C2)处于放电状态。在这三种模式下，实现变换器的运行。
具体实施方式：
本发明的单开关高增益BOOST变换器。如图1所示，包括一个直流输入电源(Vin)，一个功率开关管(T)，一个升压电感(L1)，一个带有两个绕组(L21、L22)的耦合电感，四个单向整流二极管(D1、D2、D3、D4)两个中间储能电容(C1、C2)，一个输出滤波电容(C3)。所述电路结构如下：直流输入电源(Vin)的正极和升压电感(L1)的一端相连，升压电感(L1)的另一端和单向整流二极管(D1)的阳极相连，单向整流二极管(D1)的阴极和耦合电感的一个绕组(L21)的同名端相连，耦合电感的绕组(L21)的另一端和单向整流二极管(D3)的阳极相连，单向整流二极管(D2)的阳极和单向整流二极管(D1)的阳极相连，单向整流二极管(D3)的阳极和单向整流二极管(D2)的阴极相连，中间储能电容(C1)的一端和单向整流二极管(D1)的阴极相连，中间储能电容(C1)的另一端和功率开关管(T)的源极相连，功率开关管(T)的漏极和单向整流二极管(D3)的阳极相连，中间储能电容(C2)的一端和功率开关管(T)的源极相连，中间储能电容(C2)的另一端和单向整流二极管(D3)的阴极相连，单向整流二极管(D3)的阴极和耦合电感的另一个绕组(L22)的同名端相连，耦合电感的绕组(L22)的另一端和单向整流二极管(D4)的阳极相连，单向整流二极管(D4)的阴极和输出滤波电容(C3)的一端相连，输出滤波电容(C3)的另一端和直流输入电源(Vin)的负极相连，输入电源(Vin)的负极再与功率开关管(T)的源极相连，负载(R)跨接在滤波电容(C3)的两端。
本发明的单开关高增益BOOST变换器，有三种工作模式，分别如图2、3、4所示，详细分析如下：
图2功率开关管(T)导通模式，在此种模式下，单向整流二极管(D1、D3、D4)关断，单向整流二极管(D2)导通，电容(C2)处于悬浮状态。其中，直流输入电源(Vin)、升压电感(L1)、功率开关管(T)和单向整流二极管(D2)构成回路，直流输入电源(Vin)向升压电感(L1)充电，升压电感(L1)上的电流(IL1)增加；中间储能电容(C1)、耦合电感的一个绕组(L21)和功率开关管(T)构成回路，中间储能电容(C1)向耦合电感的绕组(L21)充电，耦合电感的绕组(L21)上的电流(IL21)增加。
图3为功率开关管(T)关断，中间储能电容(C2)充电模式；在此种模态下，单向整流二极管(D1、D3、D4)导通，单向整流二极管(D2)关断。其中，直流输入电源(Vin)、升压电感(L1)、单向整流二极管(D1)和中间储能电容(C1)构成回路，升压电感(L1)放电，其上的电流(IL1)减少；中间储能电容(C1)、耦合电感的绕组(L21)、单向整流二极管(D3)和中间储能电容(C2)构成回路，耦合电感的绕组(L21)放电，其上的电流(IL21)减少，中间储能电容(C2)处于充电状态，其上的电流方向为从上到下，且通过耦合电感的绕组(L22)向负载端供电。
图4为功率开关管(T)关断，中间储能电容(C2)放电模式；在此种模态下，单向整流二极管(D1、D3、D4)导通，单向整流二极管(D2)关断。其中，直流输入电源(Vin)、升压电感(L1)、单向整流二极管(D1)和中间储能电容(C1)构成回路，升压电感(L1)放电，其上的电流(IL1)减少；中间储能电容(C1)、耦合电感的绕组(L21)通过单向整流二极管(D3)和中间储能电容(C2)一起，再通过耦合电感的绕组(L22)向负载端供电，中间储能电容(C2)处于放电状态，其上的电流方向为从下到上。
本发明的单开关高增益BOOST变换器，在这三种能量传输模态下，完成能量的转换，实现变换器的高增益、且具有开关管数量少，功率开关管的电压应力小，成本低的技术特点。
附图说明
图1是本发明的单开关高增益BOOST变换器的拓扑结构图。
图2是本发明的单开关高增益BOOST变换器，功率开关管(T)导通，模态，中间储能电容(C2)处于悬浮状态。
图3是本发明的单开关高增益BOOST变换器，功率开关管(T)关断，中间储能电容(C2)充电状态。
图4是本发明的单开关高增益BOOST变换器，功率开关管(T)关断，中间储能电容(C2)放电状态。

Claims (2)

1.一种单开关高增益BOOST变换器，其特征是：包括一个直流输入电源(Vin)，一个功率开关管(T)，一个升压电感(L1)，一个带有两个绕组(L21、L22)的耦合电感，四个单向整流二极管(D1、D2、D3、D4)两个中间储能电容(C1、C2)，一个输出滤波电容(C3)。
2.一种单开关高增益BOOST变换器所述的电路结构如下：直流输入电源(Vin)的正极和升压电感(L1)的一端相连，升压电感(L1)的另一端和单向整流二极管(D1)的阳极相连，单向整流二极管(D1)的阴极和耦合电感的一个绕组(L21)的同名端相连，耦合电感的绕组(L21)的另一端和单向整流二极管(D3)的阳极相连，单向整流二极管(D2)的阳极和单向整流二极管(D1)的阳极相连，单向整流二极管(D3)的阳极和单向整流二极管(D2)的阴极相连，中间储能电容(C1)的一端和单向整流二极管(D1)的阴极相连，中间储能电容(C1)的另一端和功率开关管(T)的源极相连，功率开关管(T)的漏极和单向整流二极管(D3)的阳极相连，中间储能电容(C2)的一端和功率开关管(T)的源极相连，中间储能电容(C2)的另一端和单向整流二极管(D3)的阴极相连，单向整流二极管(D3)的阴极和耦合电感的另一个绕组(L22)的同名端相连，耦合电感的绕组(L22)的另一端和单向整流二极管(D4)的阳极相连，单向整流二极管(D4)的阴极和输出滤波电容(C3)的一端相连，输出滤波电容(C3)的另一端和直流输入电源(Vin)的负极相连，再与功率开关管(T)的源极相连，负载(R)跨接在输出滤波电容(C3)的两端。
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