CN102684482A - 一种单开关高增益直流升压型变换器 - Google Patents

一种单开关高增益直流升压型变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种单开关高增益直流升压型变换器包括一个直流输入电源、一个功率开关管，一个升压电感，一个带有两个绕组的耦合电感，五个单向整流二极管，三个中间储能电容，一个输出滤波电容。本发明的单开关高增益直流升压型变换器，与现有的直流升压型变换器相比，在相同占空比的情况下，具有更大的升压变比，输入电流纹波小，且开关管的电压应力低，结构简单、控制方便且灵活的特点，非常适用于光伏或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

一种单开关高增益直流升压型变换器
技术领域
本发明涉及电力电子领域的直流-直流变换器，具体说是一种单开关高增益直流升压型变换器。
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较高的直流母线电压。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。因此研究新型高性能且具有更高输出电压增益的直流升压变换器，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，低输入电流纹波的一种单开关高增益直流升压型变换器。
本发明的单开关高增益直流升压型变换器，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，五个单向整流二极管(D1、D2、D3、D4、D5)，三个中间储能电容(C1、C2、C3)，一个输出滤波电容(C4)。
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(D2)的阴极和单向整流二极管(D3)的阳极相连，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，开关管(T)的源极和直流输入电源(Vin)的负极相连，功率开关管(T)的漏极与单向整流二极管(D3)的阳极相连，中间储能电容(C2)的一端和耦合电感的绕组(L21)的同名端相连，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)的另一端和中间储能电容(C3)的一端相连，中间储能电容(C3)的另一端和单向整流二极管(D5)的阴极相连，单向整流二极管(D5)的阳极和单向整流二极管(D3)的阴极相连，单向整流二极管(D4)的阳极和单向整流二极管(D5)的阴极相连，单向整流二极管(D4)的阴极和输出滤波电容(C4)的一端相连，输出滤波电容(C4)的另一端和直流输入电源(Vin)的负极相连。
本发明的变换器有三种基本工作模态：功率开关管(T)导通，中间储能电容(C1)放电，中间储能电容(C2)悬浮，中间储能电容(C3)充电模态；功率开关管(T)关断，中间储能电容(C1)充电，中间储能电容(C2)充电，中间储能电容(C3)放电模态；功率开关管(T)关断，中间储能电容(C1)充电，中间储能电容(C2)放电，中间储能电容(C3)放电模态。在这三种模态下，实现变换器的运行。
具体实施方式：
本发明的单开关高增益直流升压型变换器。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，五个单向整流二极管(D1、D2、D3、D4、D5)，三个中间储能电容(C1、C2、C3)，一个输出滤波电容(C4)。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(D2)的阴极和单向整流二极管(D3)的阳极相连，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，开关管(T)的源极和直流输入电源(Vin)的负极相连，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)的一端和耦合电感的绕组(L21)的同名端相连，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)的另一端和中间储能电容(C3)的一端相连，中间储能电容(C3)的另一端和单向整流二极管(D5)的阴极相连，单向整流二极管(D5)的阳极和单向整流二极管(D3)的阴极相连，单向整流二极管(D4)的阳极和单向整流二极管(D5)的阴极相连，单向整流二极管(D4)的阴极和输出滤波电容(C4)的一端相连，输出滤波电容(C4)的另一端和直流输入电源(Vin)的负极相连。
本发明的单开关高增益直流升压型变换器，有三种工作模态，详细分析如下：
功率开关管(T)导通模态，中间储能电容(C1)放电，中间储能电容(C2)悬浮，中间储能电容(C3)充电模态。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、D5)导通。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(T)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；耦合电感的另一个绕组(L22)、中间储能电容(C3)和单向整流二极管(D5)构成回路，耦合电感通过另一个绕组(L22)向电容(C3)充电。
功率开关管(T)关断，中间储能电容(C1)充电，中间储能电容(C2)充电，中间储能电容(C3)放电模态；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、D5)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)充电；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，中间储能电容(C2)充电；中间储能电容(C1)、中间储能电容(C2)、耦合电感的另一个绕组(L22)、中间储能电容(C3)、单向整流二极管(D4)和输出端负载构成回路，中间储能电容(C1)处于放电状态，中间储能电容(C3)处于放电状态
功率开关管(T)关断，中间储能电容(C1)放电，中间储能电容(C2)放电模态，中间储能电容(C3)放电模态。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、D5)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)充电；耦合电感的绕组(L21)通过单向整流二极管(D3)和另一个绕组(L22)向输出端传递能量；中间储能电容(C1)、中间储能电容(C2)、耦合电感的另一个绕组(L22)、中间储能电容(C3)、单向整流二极管(D4)和输出端负载构成回路，中间储能电容(C1)处于充电状态，中间储能电容(C2)处于放电状态，中间储能电容(C3)处于放电状态。
本发明的单开关高增益直流升压型变换器，在这三种模态下，完成能量的转换。该变换器具有高升压变比、低开关电压应力，且结构简单，开关管数量少等技术特点。
附图说明
图1是本发明的一种单开关高增益直流升压型变换器的拓扑结构图。

Claims (2)

1.一种单开关高增益直流升压型变换器，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，五个单向整流二极管(D1、D2、D3、D4、D5)，三个中间储能电容(C1、C2、C3)，一个输出滤波电容(C4)。
2.一种单开关高增益直流升压型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(D2)的阴极和单向整流二极管(D3)的阳极相连，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，开关管(T)的源极和直流输入电源(Vin)的负极相连，功率开关管(T)的漏极与单向整流二极管(D3)的阳极相连，中间储能电容(C2)的一端和耦合电感的绕组(L21)的同名端相连，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)的另一端和中间储能电容(C3)的一端相连，中间储能电容(C3)的另一端和单向整流二极管(D5)的阴极相连，单向整流二极管(D5)的阳极和单向整流二极管(D3)的阴极相连，单向整流二极管(D4)的阳极和单向整流二极管(D5)的阴极相连，单向整流二极管(D4)的阴极和输出滤波电容(C4)的一端相连，输出滤波电容(C4)的另一端和直流输入电源(Vin)的负极相连。
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