CN102946194B - 一种高增益交错并联升压型变换器 - Google Patents

一种高增益交错并联升压型变换器 Download PDF

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本发明提供一种高增益交错并联升压变换器,包含两个电感,两个功率开关,一个输出二极管和倍压单元;所述倍压单元由一个二极管和一个电容构成具有三个端口的单元,第一端口接电容的一端,电容的另一端与二极管阴极的节点作为第二端口,二极管的阳极端作为第三端口。电路中每增加一个倍压单元都可在原电路的增益基础之上提高一倍的基础增益,也就是说若在电路中增加n个倍压单元,则该电路的增益比就是基本升压变换器的(n+1)倍。与现有的高增益升压变换器相比,本发明电路拓扑简单,不存在耦合电感(EMI小),并且可以大幅降低开关器件的电压应力,这样变换器整体工作效率得到了提高。

Description

一种高增益交错并联升压型变换器
技术领域
本发明涉及一种直流-直流变换器,具体说是一种高增益交错并联升压型变换器。
背景技术
现有技术中,基本的升压型(Boost)交错并联变换器,见附图1(以两相交错并联为例),它包括两个电感,两个功率开关管,两个输出二极管。其中,第一个电感的输入端与第二个电感的输入端一起连接输入电源的正极,输出端接第一个输出二极管的阳极,第一个二极管的阴极与第二个二极管的阴极一起接变换器输出端的正极;在第一电感和第一个二极管的阳极之间接第一功率开关的漏极,第一功率开关源极接变换器的负极;第二个电感的输出端接第二个输出二极管的阳极,在第二电感和第二个二极管的阳极之间接第二功率开关的漏极,第二功率开关源极接变换器的负极。这种基本升压型交错并联变换器输出电压增益较小,且功率开关管和二极管的电压应力均为输出电压,所以损耗也较大。在一些输入输出电压差较大的场合难以胜任,如光伏电池并网,X光机电源等。近年来,相继出现了一些具有高增益能力的电路拓扑,主要有三种。第一种借助于变压器,在原有的直流-直流变换器中间加入一个高频的变压器,通过改变变压器变比实现高增益升压的目的。但此时,电能的转化过程实际上由原来的直流-直流,变为直流-交流-交流-直流,整个系统的能量转换效率降低了。第二种是利用开关电容的方法实现高增益升压,但此种方案所需开关器件过多,控制复杂,因而也不常用。第三种是利用耦合电感来实现高增益升压,但耦合电感的使用,同样会引起开关器件电压应力过高,并且会带来电磁干扰等影响,导致变换器工作损耗较大。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足,本发明解决现有变换器存在能量转换效率降低、开关器件过多、开关管和二极管电压应力大等问题,提供一种具有高增益能力的交错并联升压型直流-直流变换器。
为了解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:一种高增益交错并联升压变换器,其特征在于,包含两个电感L1、L2,两个功率开关S1、S2,一个输出二极管D0和倍压单元;其电路连接关系为:
第一电感L1和第二电感L2的输入端同时接输入电源的正极,第一电感L1和第二电感L2的输出端分别接第一功率开关S1和第二功率开关S2的漏极,第一功率开关S1和第二功率开关S2的源极接输入电源的负极;两个功率开关S1、S2的栅极分别接各自的控制器,两个功率开关S1、S2的驱动相位之间相差180o,即采用交错控制策略;
第一电感L1的输出接倍压单元的第一接口,倍压单元的第二接口经过正向连接的输出二极管D0接变换器输出端的正极;第二电感L2的输出接倍压单元的第三接口,倍压单元的第三接口经过二极管接变换器输出端的正极;变换器输出端的负极与输入电源的负极相连;变换器输出端的正极和负极之间还接有电容C0
其中,倍压单元由一个二极管和一个电容构成具有三个端口的单元,第一端口接电容的一端,电容的另一端与二极管阴极的节点作为第二端口,二极管的阳极端作为第三端口。
进一步,所述倍压单元为n个单元组合而成, n个倍压单元按顺序交错接入,即:
第n个倍压单元的第一端口接第n-1个倍压单元的第三端口,第n个倍压单元的第三端口接第n-1个倍压单元的第二端口,以此类推,一直到n个倍压单元。
相比现有技术,本发明具有如下有益效果:
1、本发明利用倍压单元实现变换器的高增益输出,电路中每增加一个倍压单元都可在原电路的增益基础之上提高1倍的基础增益,也就是说若在电路中增加n个倍压单元,则该电路的增益比就是基本升压变换器的(n+1)倍。与现有的高增益升压变换器相比,本发明电路拓扑简单,不存在耦合电感(EMI小),不存在变压器,并且可以大幅降低开关器件的电压应力,这样变换器整体工作效率得到了提高。
2、该变换器功率开关管和二极管电压应力小,因此可以选择的范围较广,同时结构简单,不增加控制难度,成本低且无能量损耗;可以完成直流-直流高增益升压任务,比如光伏电池到并网逆变器所需直流母线之间的直流-直流高增益升压任务。
3、每一个变换器根据应用场合不同,可以设计采用不同数量的倍压单元,且每一路输入的电流和输出电压均可控。
附图说明
图1是现有的基本升压型(Boost)交错并联变换器电路原理图。
图2是本发明高增益交错并联升压型变换器一实施方式电路原理图。
图3是本发明高增益交错并联升压型变换器中单一倍压单元的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图2所示,一种具有高增益能力的交错并联升压变换器,包括低压输入电源和DC/DC升压电路组成;所述高增益交错并联型直流-直流变换器包含两个电感L1、L2,两个功率开关S1、S2,一个输出二极管D0和3个倍压单元(3个二极管和3个电容构成);
如图3所示,倍压单元由一个二极管和一个电容构成具有三个端口的单元,第一端口接电容的一端,电容的另一端与二极管阴极的节点作为第二端口,二极管的阳极端作为第三端口。
第一电感L1的输入端接输入电源的正极,输出端接第三个倍压单元的第一接口即电容C3的一端,C3的另一端与该倍压单元的第二端口(与二极管D3的阴极以及第二个倍压单元的第三端口即二极管D2的阳极)相连,二极管D2的阳极同时与第一个倍压单元的第一端口即电容C1的一端相连,电容C1的另一端与该倍压单元的第二端口(该倍压单元内二极管D1的阴极以及输出二极管D0的阳极)相连,二极管D0的阴极连接变换器输出端的正极即输出滤波电容C0的正极;在第一电感L1、第三个倍压单元的结点和变换器的负极之间接第一功率开关S1的漏极,第一功率开关S1源极接变换器的负极;
第二电感L2的输入端接输入电源的正极,输出端接第三个倍压单元的第三接口即二极管D3的阳极,第三个倍压单元的第三接口即二极管D3的阳极接第二个倍压单元的第一接口即电容C2的一端,电容C2的另一端与该倍压单元的第三接口(该倍压单元内二极管D2的阴极以及第一个倍压单元的第三接口即二极管D1的阳极)相连,第一个倍压单元的第一接口悬空;在第二电感L2和第三个倍压单元的结点和变换器的负极之间接第二功率开关S2的漏极,第二功率开关S2源极接变换器的负极;变换器输出端的正极和负极之间还接有输出滤波电容C0
根据功率开关状态的不同,可以将电路分为三种工作状态:
(1)控制器控制功率开关S1关断,功率开关S2导通,此时低压电源通过电感L1、电容C3和二极管D2向电容C2充电,同时低压电源通过电感L1、电容C3、电容C1和二极管D0向高压直流母线供电;此时功率开关S2保持开通状态,低压电源通过功率开关S2向电感L2充电;二极管D3和二极管D1均关断。
(2)控制器控制功率开关S2关断,功率开关S1导通,此时低压电源通过电感L2、和二极管D3向电容C1充电,同时低压电源通过电感L2、电容C2和二极管D1向电容C1和电容C3充电;此时功率开关S1保持开通状态,低压电源通过功率开关S1向电感L1充电;二极管D2和二极管D0均关断。
(3)功率开关均导通,此时低压电源通过功率开关S1和功率开关S2分别向电感L1和电感L2充电;二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D0均关断。
在本发明的具体实施方式中,功率开关根据系统中所需直流母线电压的不同,而选择不同电压应力的开关器件。值得注意的是,开关管的电压应力均只有高压直流母线的四分之一。
本发明使用的功率开关为开关器件,功率开关的开启与关闭受到控制器的控制,上述的4倍高增益升压电路,由控制器控制两相功率开关的占空比每相之间相位相差180°。其各相占空比大小根据输入输出关系决定。所述的高增益交错并联变换器相比于基本的交错并联Boost升压变换器具有4倍的增益比,且该变换器的两相输入电流具有自动平衡的能力。该变换器输入端连接电压供电模块(光伏电池、燃料电池等),输出电压可控的高压直流电。
综上所述,该电路拓扑结构简单,升压能力强,适合应用于一些输入输出电压差较大的场合。
实施范例仅仅是为了工作原理阐述简单而采用了具有三个倍压单元的高增益交错并联升压变换器,在实际的应用中,能够根据实际应用情况合理选择倍压单元的个数,已达到优化效率和成本的目的。
本发明的上述实施范例仅仅是为说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (1)

1.一种高增益交错并联升压变换器,其特征在于,包括输入电源;还包含两个电感L1、L2,两个功率开关S1、S2,一个输出二极管D0和3个倍压单元;
所述3个倍压单元分别由一个二极管D1、D2或D3和一个电容C1、C2或C3构成具有三个端口的单元;第一端口接电容的一端,电容的另一端与二极管阴极的节点作为第二端口,二极管的阳极端作为第三端口;
第一电感L1的输入端接输入电源的正极,输出端接第三倍压单元的第一端口;第二电感L2的输入端接输入电源的正极,输出端接第三倍压单元的第三端口;
三个倍压单元的连接关系为:第三倍压单元的第三端口接第二倍压单元的第一端口,第三倍压单元的第二端口接第二倍压单元的第三端口;第二倍压单元的第二端口接第一倍压单元的第三端口,第二倍压单元的第三端口接第一倍压单元的第一端口;
第一倍压单元的第二端口接输出二极管D0的阳极,输出二极管D0的阴极接变换器输出端的正极;
变换器输出端的正极和负极之间还接有输出滤波电容C0
第一电感L1和第二电感L2的输入端同时接输入电源的正极,第一电感L1和第二电感L2的输出端分别接第一功率开关S1和第二功率开关S2的漏极,第一功率开关S1和第二功率开关S2的源极接输入电源的负极;两个功率开关S1、S2的栅极分别接各自的控制器,两个功率开关S1、S2的驱动相位之间相差180o,即采用交错控制策略;
根据功率开关状态的不同,将高增益交错并联升压变换器电路分为三种工作状态:
(1)控制器控制功率开关S1关断,功率开关S2导通,此时输入电源通过电感L1、电容C3和二极管D2向电容C2充电,同时输入电源通过电感L1、电容C3、电容C1和二极管D0向高压直流母线供电;此时功率开关S2保持开通状态,输入电源通过功率开关S2向电感L2充电;二极管D3和二极管D1均关断;
(2)控制器控制功率开关S2关断,功率开关S1导通,此时输入电源通过电感L2、和二极管D3向电容C1充电,同时输入电源通过电感L2、电容C2和二极管D1向电容C1和电容C3充电;此时功率开关S1保持开通状态,输入电源通过功率开关S1向电感L1充电;二极管D2和二极管D0均关断;
(3)功率开关均导通,此时输入电源通过功率开关S1和功率开关S2分别向电感L1和电感L2充电;二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D0均关断。
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