CN102629823A - 高升压比低开关电压应力的dc/dc变换器 - Google Patents

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李艳
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Abstract

本发明公开的高升压比低开关电压应力的DC/DC变换器包括一个直流输入电源、两个功率开关管，三个升压电感，四个单向整流二极管，一个中间储能电容，两个输出滤波电容。与现有的升压变换器相比，本发明的高升压比低开关电压应力的DC/DC变换器不仅具有更大的升压变比，而且主开关管的电压应力低，输入电流和输出电压的纹波小，同时结构简单、控制方便且灵活，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

高升压比低开关电压应力的DC/DC变换器
技术领域
本发明涉及直流-直流变换器，具体说是高升压比低开关电压应力的DC/DC变换器。
技术背景
随着全球一次能源的逐渐短缺，石油价格飞涨，以及人们环境意识的提高，推动了世界各国积极进行可再生能源与清洁能源的开发和利用，其中太阳能光伏电池和燃料电池并网发电受到了广泛关注。受环境，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。为了将光伏或燃料电池阵列的电压提升到并网逆变器所需直流母线电压，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，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，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、低输入电流纹波、高升压比低开关电压应力的DC/DC变换器。
为达上述目的，本发明的技术解决方案是，高升压比低开关电压应力的DC/DC变换器。如图1所示，有两种电路结构，都能实现以上所述技术目的，且都包括一个直流输入电源(Vin)、两个功率开关管(T1、T2)，三个升压电感(L1、L2、L3)，四个单向整流二极管(D1、D2、D3、D4)，一个中间储能电容(C1)，两个输出滤波电容(C2、C3)。
在图1(a)中，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)的阴极和升压电感(L2)一端相连，升压电感(L2)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，输出滤波电容(C2)的一端和单向整流二极管(D3)的阴极相连，输出滤波电容(C2)的另一端和功率开关管(T1)的漏极相连，输出滤波电容(C3)的一端和功率开关管(T1)的漏极相连，输出滤波电容(C3)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)的阴极和功率开关管(T2)的源极相连，功率开关管(T2)的漏极和单向整流二极管(D3)的阳极相连，功率开关管(T1)的源极和功率开关管(T2)的源极相连，功率开关管(T1)的漏极和升压电感(L3)的一端相连，升压电感(L3)的另一端和单向整流二极管(D1)的阴极相连，中间储能电容(C1)的一端也和单向整流二极管(D1)的阴极相连，中间储能电容(C1)的另一端和功率开关管(T1)的源极相连，功率开关管(T1)的源极和直流输入电源(Vin)的负极相连，负载(R)跨接在(D3)的阴极和(D4)的阳极两端。
图1(b)中，是图1(a)所述的电路结构，将升压电感(L3)和单向整流二极管(D1)的阴极相连的一端，改到和直流输入电源(Vin)的阳极相连，其他元件的位置保持不变，变换器仍能正常运行。
本发明的变换器的两种电路结构，均有四种工作模态：功率开关管(T1)导通，功率开关管(T2)导通模态；功率开关管(T1)导通，功率开关管(T2)关断模态；功率开关管(T1)关断，功率开关管(T2)导通模态；功率开关管(T1)关断，功率开关管(T2)关断模态。在这四种模态下，实现功率变换。
具体实施方式：
本发明的高升压比低开关电压应力的DC/DC变换器的两种电路结构，如图1中所示，均包括一个直流输入电源(Vin)、两个功率开关管(T1、T2)，三个升压电感(L1、L2、L3)，四个单向整流二极管(D1、D2、D3、D4)，一个中间储能电容(C1)，两个输出滤波电容(C2、C3)。
在图1(a)中，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)的阴极和升压电感(L2)一端相连，升压电感(L2)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，输出滤波电容(C2)的一端和单向整流二极管(D3)的阴极相连，输出滤波电容(C2)的另一端和功率开关管(T1)的漏极相连，输出滤波电容(C3)的一端和功率开关管(T1)的漏极相连，输出滤波电容(C3)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)的阴极和功率开关管(T2)的源极相连，功率开关管(T2)的漏极和单向整流二极管(D3)的阳极相连，功率开关管(T1)的源极和功率开关管(T2)的源极相连，功率开关管(T1)的漏极和升压电感(L3)的一端相连，升压电感(L3)的另一端和单向整流二极管(D1)的阴极相连，中间储能电容(C1)的一端也和单向整流二极管(D1)的阴极相连，中间储能电容(C1)的另一端和功率开关管(T1)的源极相连，功率开关管(T1)的源极和直流输入电源(Vin)的负极相连。
图1(b)中，是图1(a)所述的电路结构，将升压电感(L3)和单向整流二极管(D1)的阴极相连的一端，改到和直流输入电源(Vin)的阳极相连，其他元件的位置保持不变，变换器仍能正常运行。
高升压比低开关电压应力的DC/DC变换器的两种电路结构，均有四种工作模态，如图2、3、4、5分别是图1(a)电路结构的四种工作模态，详细分析如下：
图2为功率开关管(T1)导通，功率开关管(T2)导通模态，在此种模态下，单向整流二极管(D1、D3、D4)关断，单向整流二极管(D2)导通。其中，直流输入电源(Vin)、升压电感(L1)和单向整流二极管(D2)和功率开关管(T2)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)、升压电感(L2)和功率开关管(T2)构成回路，中间储能电容(C1)向升压电感(L2)充电，升压电感(L2)上的电流(IL2)增加；中间储能电容(C1)、升压电感(L3)和功率开关管(T1)构成回路，中间储能电容(C1)向升压电感(L3)充电，升压电感(L3)上的电流(IL3)增加。
图3为功率开关管(T1)导通，功率开关管(T2)关断模态，在此种模态下，单向整流二极管(D1、D3)导通，单向整流二极管(D2、D4)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)、升压电感(L2)、单向整流二极管(D3)、输出滤波电容(C2)和功率开关管(T1)构成回路，升压电感(L2)放电，其上的电流(IL2)减少；中间储能电容(C1)、升压电感(L3)和功率开关管(T1)构成回路，中间储能电容(C1)向升压电感(L3)充电，其上的电流(IL3)增加。
图4为功率开关管(T1)关断，功率开关管(T2)导通模态；在此种模态下，单向整流二极管(D2、D4)导通，单向整流二极管(D1、D3)关断。其中，直流输入电源(Vin)、升压电感(L1)、单向整流二极管(D2)和功率开关管(T2)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)、升压电感(L2)和功率开关管(T2)构成回路，中间储能电容(C1)向升压电感(L2)充电，其上的电流(IL2)增加；中间储能电容(C1)、升压电感(L3)、输出滤波电容(C3)和单端整流二极管(D4)构成回路，升压电感(L3)放电，其上的电流(IL3)减少。
图5为功率开关管(T1)关断，功率开关管(T2)关断模态。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)减小；中间储能电容(C1)、升压电感(L2)通过单向整流二极管(D1、D4)向输出端供电，升压电感(L2)放电，其上的电流(IL2)减少；中间储能电容(C1)和升压电感(L3)、输出滤波电容(C3)和单向整流二极管(D4)构成回路，升压电感(L3)放电，其上的电流(IL3)减少。
本发明的高升压比低开关电压应力的DC/DC变换器，在这四种模态下，完成能量的转换，实现变换器的高升压变比、功率开关电压应力小，输入电流纹波和输出电压纹波小，结构简单，成本低的技术特点。
附图说明
图1是本发明的高升压比低开关电压应力的DC/DC变换器的拓扑结构图。
图2是本发明的高升压比低开关电压应力的DC/DC变换器，功率开关管(T1)导通，功率开关管(T2)导通模态。
图3是本发明的高升压比低开关电压应力的DC/DC变换器，功率开关管(T1)导通，功率开关管(T2)关断模态。
图4是本发明的高升压比低开关电压应力的DC/DC变换器，功率开关管(T1)关断，功率开关管(T2)导通模态。
图5是是本发明的高升压比低开关电压应力的DC/DC变换器，功率开关管(T1)关断，功率开关管(T2)关断模态。

Claims (2)

1.一种高升压比低开关电压应力的DC/DC变换器，其特征是：包括一个直流输入电源(Vin)、两个功率开关管(T1、T2)，三个升压电感(L1、L2、L3)，四个单向整流二极管(D1、D2、D3、D4)，一个中间储能电容(C1)，两个输出滤波电容(C2、C3)。
2.一种高升压比低开关电压应力的DC/DC变换器所述的电路结构有两种，包括：
a)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)的阴极和升压电感(L2)一端相连，升压电感(L2)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，输出滤波电容(C2)的一端和单向整流二极管(D3)的阴极相连，输出滤波电容(C2)的另一端和功率开关管(T1)的漏极相连，输出滤波电容(C3)的一端和功率开关管(T1)的漏极相连，输出滤波电容(C3)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)的阴极和功率开关管(T2)的源极相连，功率开关管(T2)的漏极和单向整流二极管(D3)的阳极相连，功率开关管(T1)的源极和功率开关管(T2)的源极相连，功率开关管(T1)的漏极和升压电感(L3)的一端相连，升压电感(L3)的另一端和单向整流二极管(D1)的阴极相连，中间储能电容(C1)的一端也和单向整流二极管(D1)的阴极相连，中间储能电容(C1)的另一端和功率开关管(T1)的源极相连，再与直流输入电源(Vin)的负极相连，负载(R)跨接在(D3)的阴极和(D4)的阳极两端。
b)在a)所述的电路结构中，将升压电感(L3)和单向整流二极管(D1)的阴极相连的一端，改到和直流输入电源(Vin)的阳极相连，其他元件的位置不变。
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