CN103427660A - 一种两绕组耦合电感倍压式单开关管高增益变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两绕组耦合电感倍压式单开关管高增益变换器。具体包括Boost电路、耦合电感倍压单元电路及输出电路，所述Boost电路由开关管、第一二极管、第一电容、耦合电感的原边绕组构成；耦合电感倍压单元电路由第一电容、第二电容、第二二极管、耦合电感的副边绕组构成；输出电路由第三二极管、第三电容和负载构成。本发明抑制了开关管关断时的电压尖峰，降低了开关管承受的电压应力，回收了漏感能量，电压增益高，效率高。

Description

一种两绕组耦合电感倍压式单开关管高增益变换器

技术领域

本发明涉及电力电子变换器技术领域，具体涉及一种两绕组耦合电感倍压式单开关管高增益变换器。

背景技术

在太阳能发电系统或者燃料电池系统中，由于单块太阳能电池或者单个燃料电池的输出电压较低且容量较小，而实际应用中所需的电压通常较高，并且对效率要求也较高，因此需要一级高效率的升压变换器把低电压直流电转换为适合实际需要的高压直流电。

目前最常用的升压变换器是单管Boost变换器，然而这种变换器的升压范围十分有限，通常升压倍数都在十倍以内，很难满足高增益的变换要求。为实现增益拓展，可以使用开关电容技术，这种技术电路结构简单，容易实现，但是存在着开关管电流尖峰冲击大，电压增益有限的缺点。虽然通过多级开关电容结构可以进一步拓展变换器的电压增益，但是电路结构会变得非常复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种两绕组耦合电感倍压式单开关管高增益变换器。

本发明适用于光伏系统、燃料电池系统、能量回收系统等需要用到高增益高性能电力电子变换器的场合。

本发明通过如下技术方案实现：

一种两绕组耦合电感倍压式单开关管高增益变换器，包括Boost电路、耦合电感倍压单元电路及输出电路，

所述Boost电路由开关管S、第一二极管D₁、第一电容C₁、耦合电感的原边绕组L₁₁构成；

耦合电感倍压单元电路由第一电容C₁、第二电容C₂、第二二极管D₂、耦合电感的副边绕组L₁₂构成；

输出电路由第三二级管D₃、第三电容C₃和负载构成。

所述耦合电感的原边绕组L₁₁的同名端与输入电源正极连接，所述耦合电感的原边绕组L₁₁的异名端分别与开关管S的漏极、第一二极管D₁的阳极连接，所述第一二极管D₁的阴极分别与第一电容C₁的一端、第二二极管D₂的阳极连接，所述第二二极管D₂的阴极分别与第三二极管D₃的阳极、耦合电感的副边绕组L₁₂的异名端连接，所述耦合电感的副边绕组L₁₂的同名端与第二电容C₂的一端连接，所述第三二极管D₃的阴极分别与第三电容C₃的一端、负载的一端连接；

所述开关管S的源极、第一电容C₁的另一端、第三电容C₃的另一端、负载的另一端分别与输入电源的负极连接，所述第二电容C₂的另一端与输入电源的负极连接或与输入电源的正极连接或与第三二极管D₃的阴极连接。

与现有技术相比本发明具有如下优点：

本发明工作时，利用耦合电感的漏感有效地抑制了第二电容造成的电流尖峰，同时第二电容也可以回收耦合电感漏感能量，提高变换器的效率，利用耦合电感原、副边绕组的匝数比可以调节变换器的电压增益，利用第一电容限制开关管承受的电压应力；

本发明电路结构简单，控制电路容易实现，非常适用于需要高增益、高效率变换器的场合。

附图说明

图1是本发明一种两绕组耦合电感倍压式单开关管高增益变换器的电路图；

图2（a）～图2（b）是本发明实施例1中一种两绕组耦合电感倍压式单开关管高增益变换器在一个开关周期内的等效电路图，其中图2（a）是工作模态1时的等效电路图，图2（b）是工作模态2时的等效电路图，图中实线表示变换器中有电流流过的部分，虚线表示变换器中没有电流流过的部分；

图3是本发明实施例2的一种两绕组耦合电感倍压式单开关管高增益变换器的电路图；

图4是本发明实施例3的一种两绕组耦合电感倍压式单开关管高增益变换器的电路图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种两绕组耦合电感倍压式单开关管高增益变换器，包括开关管S、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、耦合电感（其中原边绕组用L₁₁表示，副边绕组用L₁₂表示），第一电容C₁，第二电容C₂，第三电容C₃和负载R；

由开关管S，第一二极管D₁，第一电容C₁，耦合电感的原边绕组L₁₁构成Boost电路；

由第一电容C₁，第二电容C₂，第二二极管D₂，耦合电感的副边绕组L₁₂构成耦合电感倍压单元电路；

由第三二极管D₃，第三电容C₃和负载R构成的输出电路。

由上述可知，所述Boost电路与耦合电感倍压单元电路共用第一电容C₁。

具体连接方式如下：

所述耦合电感的原边绕组L₁₁的同名端与输入电源正极连接，所述耦合电感的原边绕组L₁₁的异名端分别与开关管S的漏极、第一二极管D₁的阳极连接，所述第一二极管D₁的阴极分别与第一电容C₁的一端、第二二极管D₂的阳极连接，所述第二二极管D₂的阴极分别与第三二极管D₃的阳极、耦合电感的副边绕组L₁₂的异名端连接，所述耦合电感的副边绕组L₁₂的同名端与第二电容C₂的一端连接，所述第三二极管D₃的阴极分别与第三电容C₃的一端、负载R的一端连接；

所述开关管S的源极、第一电容C₁的另一端、第二电容C₂的另一端、第三电容C₃的另一端、负载R的另一端分别与输入电源Vd的负极连接。

一种两绕组耦合电感倍压式单开关管高增益变换器在一个开关周期内有2个工作模态，即开关管S开通和关断两种相互切换的工作模态，具体如图2（a）～图2（b）所示。

工作模态1：

如图2（a）所示，开关管S开通，此时第一二极管D₁和第三二极管D₃关断，第二二极管D₂导通，此时输入电源给耦合电感的励磁电感充电，同时耦合电感将能量从输入电源传递到第二电容C₂，第一电容C₁也将能量传递到第二电容C₂，第三电容C₃向负载提供能量。

工作模态2：

如图2（b）所示，开关管S断开，此时第一二极管D₁和第三二极管D₃导通，第二二极管D₂关断，开关管漏源极之间承受的电压被第一电容C₁箝位。输入电源和耦合电感的励磁电感能量同时向第一电容C₁转移，第一电容C₁充电，与此同时能量也通过耦合电感向负载转移，同时给第三电容C₃充电。第二电容C₂向负载提供能量，同时给第三电容C₃充电。

稳态时的电压增益分析：

在进行电路稳态电压分析过程中，由于漏感相当小，因此忽略不计。

设输入电压为V_d，输出电压即第三电容C₃两端电压为V_o，第一电容C₁两端电压为V_c1，第二电容C₂两端电压为V_c2，耦合电感副边绕组匝数与原边绕组匝数之比为N，一个开关周期为T_s，其中开关管导通状态持续时间为DT_s，开关管关断持续时间为（1-D）T_s；

开关管开通时，耦合电感的励磁电感两端电压为V_d，电容C₂两端电压为：

V_c2=NV_d+V_c1                （1）

开关管断开时，耦合电感的励磁电感两端电压为V_d-V_c1，输出电压即电容C3两端电压为：

V_o=V_c2-N(V_d-V_c1)=(N+1)V_c1      （2）

根据一个开关周期内电感伏秒平衡原理，可得如下关系式：

${\∫}_0^{{\mathrm{DT}}_s}{V}_d\mathrm{dt}+{\∫}_{{\mathrm{DT}}_s}^{T_s}(V_d-V_{c1})\mathrm{dt}=0---\left(3\right)$

联立式（1）、式（2）和式（3），可解得本发明提出的变换器增益M为：

$M=\frac{V_o}{V_d}=\frac{N+1}{1-D}.$

实施例2

如图3，本实施例与实施例1唯一的区别在于：所述第二电容C₂的另一端与输入电源的正极连接，其余结构与功能均与实施例1相同。

实施例3

如图4，本实施例与实施例1唯一的区别在于：所述第二电容C₂的另一端与第三二极管D₃的阴极连接，其余结构与功能均与实施例1相同。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种两绕组耦合电感倍压式单开关管高增益变换器，其特征在于，包括Boost电路、耦合电感倍压单元电路及输出电路，

所述Boost电路由开关管（S）、第一二极管（D₁）、第一电容（C₁）、耦合电感的原边绕组（L₁₁）构成；

耦合电感倍压单元电路由第一电容（C₁）、第二电容（C₂）、第二二极管（D₂）、耦合电感的副边绕组（L₁₂）构成；

输出电路由第三二级管（D₃）、第三电容（C₃）和负载构成。

2.根据权利要求1所述的一种两绕组耦合电感倍压式单开关管高增益变换器，其特征在于，所述耦合电感的原边绕组（L₁₁）的同名端与输入电源正极连接，所述耦合电感的原边绕组（L₁₁）的异名端分别与开关管（S）的漏极、第一二极管（D₁）的阳极连接，所述第一二极管（D₁）的阴极分别与第一电容（C₁）的一端、第二二极管（D₂）的阳极连接，所述第二二极管（D₂）的阴极分别与第三二极管（D₃）的阳极、耦合电感的副边绕组（L₁₂）的异名端连接，所述耦合电感的副边绕组（L₁₂）的同名端与第二电容（C₂）的一端连接，所述第三二极管（D₃）的阴极分别与第三电容（C₃）的一端、负载的一端连接；

所述开关管（S）的源极、第一电容（C₁）的另一端、第三电容（C₃）的另一端、负载的另一端分别与输入电源的负极连接，所述第二电容（C₂）的另一端与输入电源的负极连接或与输入电源的正极连接或与第三二极管（D₃）的阴极连接。

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