CN103475211A - 融合耦合电感与倍压电路的升压变换器 - Google Patents

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本发明公开的是一种融合耦合电感与倍压电路的升压变换器的拓扑结构，具有较高的升压能力，属于电力电子技术领域，它包括两个可控的功率开关管，两个带有两个绕组的耦合电感，三个单向整流二极管，一个输出二极管，一个箝位电容，两个中间储能电容，一个输出滤波电容。本发明的变换器中的耦合电感及倍压电路能够实现更高升压比的输出，并能降低功率开关管和二极管的峰值电压应力，同时利用耦合电感的漏感实现功率开关管的零电流开通和二极管的关断，适用于今后备用能源系统及光伏、燃料电池等可再生能源发电系统，具有良好的实用价值及推广前景。

Description

融合耦合电感与倍压电路的升压变换器
技术领域
本发明涉及电力电子领域的直流-直流变换器，具体说是一种融合耦合电感与倍压电路的升压变换器。
背景技术
近年来，采用太阳能和燃料电池等清洁可再生能源进行并网发电的技术，已越来越受到人们的广泛关注，其相关应用技术研究也有所提高。由于受到环境，温度等因素的影响，这些可再生能源的输出电压通常波动较大，而且单体的电压等级较低，而并网发电系统所需的是电压较高的直流母线。而常规的BOOST或两相交错并联BOOST变换器的输出电压增益较小，功率开关的电压应力较大，开关损耗较大。为此，相继出现了使用软开关电路方法，虽然可以实现功率开关管的软开关，却不能降低功率开关管的电压应力；使用开关电容的方法，虽有瞬间电流冲击，而实现很高的输出电压需要数量多的开关电容，且结构复杂。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，因此研究新型高性能且具有更高升压变比的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
本发明的目的是提出一种高增益升压型直流变换器及其控制方法，同时能有效减小输入电流和输出电压的纹波，提高了变换器的性能。该变换器既适用于常规升压型直流变换器应用范围，又适用于燃料电池、太阳能光伏发电和风力发电等新能源发电系统。
为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是，融合耦合电感与倍压电路的升压变换器。如图1所示，包括两个可控的功率开关管(Q 1、Q 2)，一个带有两个绕组(N p1 、N s1)的耦合电感，一个带有两个绕组(N p2、N s2)的耦合电感，三个单向整流二极管(D 1、D 2、D 3)，一个输出二极管(D o )，一个箝位电容(C 1)，两个中间储能电容(C 2 、C 3)，一个输出滤波电容(C o )。
参考图1所示，所述电路的具体连接方式如下：第一耦合电感的一个绕组(N p1)的同名端与第二耦合电感的一个绕组(N p2)的同名端及直流输入电源(V in )的正极相连，第一耦合电感的一个绕组(N p1)的另一端与功率开关管(Q 1)的漏极及中间储能电容(C 2)的负极相连，第二耦合电感的一个绕组(N p2)的另一端与功率开关管(Q 2)的漏极相连，功率开关管(Q 1)的源极与功率开关管(Q 2)的源极及直流输入电源(V in )的负极相连，单向整流二极管(D 1)的阴极与及单向整流二极管(D 2)的阳极及箝位电容(C 1)的正极相连，单向整流二极管(D 2)的阴极与中间储能电容(C 2)的正极相连，单向整流二极管(D 2)的阴极与第一耦合电感的另一个绕组(N s1)的同名端及单向整流二极管(D 3)的阳极相连，第二耦合电感的另一个绕组(N s2)的同名端与中间储能电容(C 3)的负极相连，第一耦合电感的另一个绕组(N s1)的另一端与第二耦合电感的另一个绕组(N s2)的另一端相连，中间储能电容(C 3)的正极与单向整流二极管(D 3)的阴极及输出二极管(D o )的阳极相连，输出二极管(D o )的阴极和输出滤波电容(C o )的一端相连，输出滤波电容(C o )另一端与直流输入电源(V in )的负极相连。
本发明的融合耦合电感与倍压电路的升压变换器工作时，利用两个耦合电感提高了升压比并降低了功率开关管的电压应力；利用耦合电感的漏感实现了功率开关管(Q 1、Q 2)的零电流开通，同时利用耦合电感的漏感还实现了输出二极管(D o )的软关断；利用单向整流二极管(D 1)与箝位电容(C 1)吸收漏感的能量，使功率开关管(Q 1、Q 2)关断时电压尖峰减小，并吸收漏感能量传递给负载，降低损耗；利用交错并联控制降低了输入电流的纹波并提高系统的功率等级。
 
附图说明
图1是本发明的一种融合耦合电感与倍压电路的升压变换器的拓扑结构图。
具体实施方式
本发明的融合耦合电感与倍压电路的升压变换器。如图1所示，包括两个可控的功率开关管(Q 1、Q 2)，一个带有两个绕组(N p1 、N s1)的耦合电感，一个带有两个绕组(N p2、N s2)的耦合电感，三个单向整流二极管(D 1、D 2、D 3)，一个输出二极管(D o )，一个箝位电容(C 1)，两个中间储能电容(C 2 、C 3)，一个输出滤波电容(C o )。具体连接方式如下：第一耦合电感的一个绕组(N p1)的同名端与第二耦合电感的一个绕组(N p2)的同名端及直流输入电源(V in )的正极相连，第一耦合电感的一个绕组(N p1)的另一端与功率开关管(Q 1)的漏极及中间储能电容(C 2)的负极相连，第二耦合电感的一个绕组(N p2)的另一端与功率开关管(Q 2)的漏极相连，功率开关管(Q 1)的源极与功率开关管(Q 2)的源极及直流输入电源(V in )的负极相连，单向整流二极管(D 1)的阴极与及单向整流二极管(D 2)的阳极及箝位电容(C 1)的正极相连，单向整流二极管(D 2)的阴极与中间储能电容(C 2)的正极相连，单向整流二极管(D 2)的阴极与第一耦合电感的另一个绕组(N s1)的同名端及单向整流二极管(D 3)的阳极相连，第二耦合电感的另一个绕组(N s2)的同名端与中间储能电容(C 3)的负极相连，第一耦合电感的另一个绕组(N s1)的另一端与第二耦合电感的另一个绕组(N s2)的另一端相连，中间储能电容(C 3)的正极与单向整流二极管(D 3)的阴极及输出二极管(D o )的阳极相连，输出二极管(D o )的阴极和输出滤波电容(C o )的一端相连，输出滤波电容(C o )另一端与直流输入电源(V in )的负极相连。
本发明的融合耦合电感与倍压电路的升压变换器，采用两个功率开关管的控制信号交错180°，且占空比大于0.5控制方式，有四种稳态工作状态，详细分析如下：
功率开关管(Q 1、Q 2)同时导通模态，箝位电容(C 1)放电模态，中间储能电容(C 2)充电模态，中间储能电容(C 3)悬浮。在此模态下，单向整流二极管(D 1、D 3)与输出二极管(D o )关断，单向整流二极管(D 2)导通。其中，直流源输入源(V in )、第一耦合电感的一个绕组(N p1)、功率开关管(Q 1)构成回路，直流源输入源(V in )向第一耦合电感充电，第一耦合电感一个绕组(N p1)上的电流线性增加；直流源输入源(V in )、第二耦合电感的一个绕组(N p2)、功率开关管(Q 2)构成回路，直流源输入源(V in )向第二耦合电感充电，第二耦合电感一个绕组(N p2)上的电流线性增加；箝位电容(C 1)、单向整流二极管(D 2)、中间储能电容(C 2)及功率开关管(Q 1)构成回路，箝位电容(C 1)处于放电状态，中间储能电容(C 2)处于充电状态。
功率开关管(Q 1)导通与功率开关管(Q 2)关断模态，箝位电容(C 1)充电模态，中间储能电容(C 2、C 3)充电模态。在此模态下，输出二极管(D o )关断，单向整流二极管(D 1、D 2、D 3)导通。其中，直流源输入源(V in )、第一耦合电感的一个绕组(N p1)、功率开关管(Q 1)构成回路，直流源输入源(V in )向第一耦合电感充电，第一耦合电感一个绕组(N p1)上的电流继续线性增加；直流源输入源(V in )通过第二耦合电感的一个绕组(N p2)向第二耦合电感的另一个绕组(N s2)传递能量，第二耦合电感一个绕组(N p2)上的电流线性减少，直流源输入源(V in )、第二耦合电感一个绕组(N p2)、单向整流二极管(D 1)及箝位电容(C 1)构成回路，箝位电容(C 1)处于充电状态；直流源输入源(V in )、第二耦合电感一个绕组(N p2)、单向整流二极管(D 2)、中间储能电容(C 2)及功率开关管(Q 1)构成回路，中间储能电容(C 2)处于充电状态；第一耦合电感的另一个绕组(N s1)、第二耦合电感的另一个绕组(N s2)、单向整流二极管(D 3)及中间储能电容(C 3)构成回路，即倍压电路单元，中间储能电容(C 3)处于充电状态。
功率开关管(Q 1、Q 2)同时导通模态，箝位电容(C 1)悬浮模态，中间储能电容(C 2、C 3)悬浮模态。在此模态下，单向整流二极管(D 1、D 2、D 3)与输出二极管(D o )全部关断。其中，直流源输入源(V in )、第一耦合电感的一个绕组(N p1)、功率开关管(Q 1)构成回路，直流源输入源(V in )向第一耦合电感充电，第一耦合电感一个绕组(N p1)上的电流线性增加；直流源输入源(V in )、第二耦合电感的一个绕组(N p2)、功率开关管(Q 2)构成回路，直流源输入源(V in )向第二耦合电感充电，第二耦合电感一个绕组(N p2)上的电流线性增加。
功率开关管(Q 1)关断与功率开关管(Q 2)导通模态，箝位电容(C 1)悬浮模态，中间储能电容(C 2、C 3)放电模态。在此模态下，单向整流二极管(D 1、D 2、D 3)关断，输出二极管(D o )导通。其中，直流源输入源(V in )、第二耦合电感的一个绕组(N p2)、功率开关管(Q 2)构成回路，直流源输入源(V in )向第二耦合电感充电，第二耦合电感一个绕组(N p2)上的电流继续线性增加；直流源输入源(V in )通过第一耦合电感一个绕组(N p1)向第一耦合电感的另一个绕组(N s1)传递能量，第一耦合电感一个绕组(N p1)上的电流线性减少；直流源输入源(V in)、第一耦合电感一个绕组(N p1)、中间储能电容(C 2、C 3)，第一耦合电感的另一个绕组(N s1)、第二耦合电感的另一个绕组(N s2)、输出二极管(D o)及输出端负载构成回路，中间储能电容(C 2、C 3)处于放电状态。
本发明的融合耦合电感与倍压电路的升压变换器，在这四种模态下，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，控制方便的技术特点。

Claims (1)

1.一种融合耦合电感与倍压电路的升压变换器拓扑结构，其特征是：包括两个可控的功率开关管(Q 1、Q 2)，一个带有两个绕组(N p1 、N s1)的耦合电感，一个带有两个绕组(N p2、N s2)的耦合电感，三个单向整流二极管(D 1、D 2、D 3)，一个输出二极管(D o )，一个箝位电容(C 1)，两个中间储能电容(C 2 、C 3)，一个输出滤波电容(C o )，输出滤波电容(C o )两端的电压即为输出电压，输出滤波电容(C o )两端接负载，具体连接方式如下：第一耦合电感的一个绕组(N p1)的同名端与第二耦合电感的一个绕组(N p2)的同名端及直流输入电源(V in )的正极相连，第一耦合电感的一个绕组(N p1)的另一端与功率开关管(Q 1)的漏极及中间储能电容(C 2)的负极相连，第二耦合电感的一个绕组(N p2)的另一端与功率开关管(Q 2)的漏极相连，功率开关管(Q 1)的源极与功率开关管(Q 2)的源极及直流输入电源(V in )的负极相连，单向整流二极管(D 1)的阴极与及单向整流二极管(D 2)的阳极及箝位电容(C 1)的正极相连，单向整流二极管(D 2)的阴极与中间储能电容(C 2)的正极相连，单向整流二极管(D 2)的阴极与第一耦合电感的另一个绕组(N s1)的同名端及单向整流二极管(D 3)的阳极相连，第二耦合电感的另一个绕组(N s2)的同名端与中间储能电容(C 3)的负极相连，第一耦合电感的另一个绕组(N s1)的另一端与第二耦合电感的另一个绕组(N s2)的另一端相连，中间储能电容(C 3)的正极与单向整流二极管(D 3)的阴极及输出二极管(D o )的阳极相连，输出二极管(D o )的阴极和输出滤波电容(C o )的一端相连，输出滤波电容(C o )另一端与直流输入电源(V in )的负极相连。
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20131225