CN103490615B - 一种宽增益zeta变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽增益zeta变换器，主要包括一个开关管，三个功率电感，两个中间储能电容，一个输出电容，和三个二极管。本发明时利用电感-电容-二极管网络的内在特性，开关管关断时，第二功率电感给第一中间储能电容充电，第一功率电感放电，当开关管导通时，第一中间储能电容和输入电源同时给第一功率电感充电，从而升高输出电压，结合传统zeta变换器的原有特性实现变换器输出电压增益的拓展。

Description

一种宽增益zeta变换器

技术领域

本发明涉及电力电子变换器技术领域，具体涉及一种宽增益zeta变换器。

背景技术

随着生活和工业的发展，对电力电子变换器的要求越来越高，同时具有升压和降压功能的传统zeta变换器也得到了越来越多的应用。但是传统zeta变换器由于其固有特性的限制，输出电压的变化范围较小，输出电压通常只能在输入电压的0～9倍范围内变化。在对输出电压有特殊要求的场合，如不间断电源系统和燃料电池系统等低压输入高电压输出的场合，传统zeta变换器变得不再适用。为了扩大传统zeta变换器的适用范围，有必要通过技术改进拓展其输出电压增益。通过级联的方法可以实现上述目标但是会带来开关管数量增加、系统稳定性降低和效率下降等不足。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种宽增益zeta变换器。

本发明通过如下技术方案实现：

一种宽增益zeta变换器，主要包括输入电源、开关管、第一功率电感、第二功率电感、第三功率电感、第一中间储能电容、第二中间储能电容、输出电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管和负载。

所述开关管的漏极与输入电源的正极连接；

所述开关管的源极分别与第一功率电感的一端、第一二极管的阳极和第二中间储能电容的一端连接；

所述第一二极管的阴极分别与第二二极管的阴极和第二功率电感的一端连接；

所述第二二极管的阳极分别与第一功率电感的另一端和第一中间储能电容的一端连接；

所述第二中间储能电容的另一端分别与第三二极管的阴极和第三功率电感的一端连接；

所述第三功率电感的另一端分别与输出电容的一端和负载的一端连接；

所述第一中间储能电容的另一端、第二功率电感的另一端、第三二极管的阳极、输出电容的另一端和负载的另一端均与输入电源的负极连接。

所述第一二极管、第二二极管、第三二极管为快恢复二极管。

与现有技术相比本发明具有如下优点：

本发明无需额外的开关管，结构简单，控制方便。本发明利用电感-电容-二极管网络的内在特性，开关管关断时，第二功率电感给第一中间储能电容充电，第一功率电感放电，当开关管导通时，第一中间储能电容和输入电源同时给第一功率电感充电，从而升高输出电压，结合传统zeta变换器的原有特性实现变换器输出电压增益的拓展。

附图说明

图1是本发明所述的一种宽增益zeta变换器的实施例的电路图；

图2a和图2b分别是图1所示电路图在一个开关周期内的主要工作模态图。其中图2a是工作模态1的电路图，图2b是工作模态2的电路图。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是本发明所述变换器与传统zeta变换器的增益对比曲线图。

具体实施方式

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

实施例

如图1所示，一种宽增益zeta变换器，主要包括输入电源V_g、开关管S、第一功率电感L₁、第二功率电感L₂、第三功率电感L₃、第一中间储能电容C₁、第二中间储能电容C₂、输出电容C₃、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃和负载R。

所述开关管S的漏极与输入电源V_g的正极连接；

所述开关管S的源极分别与第一功率电感L₁的一端、第一二极管D₁的阳极和第二中间储能电容C₂的一端连接；

所述第一二极管D₁的阴极分别与第二二极管D₂的阴极和第二功率电感L₂的一端连接；

所述第二二极管D₂的阳极分别与第一功率电感L₁的另一端和第一中间储能电容C₁的一端连接；

所述第二中间储能电容C₂的另一端分别与第三二极管D₃的阴极和第三功率电感L₃的一端连接；

所述第三功率电感L₃的另一端分别与输出电容C₃的一端和负载R的一端连接；

所述第一中间储能电容C₁的另一端、第二功率电感L₂的另一端、第三二极管D₃的阳极、输出电容C₃的另一端和负载R的另一端均与输入电源V_g的负极连接。

如图2a和图2b所示，一种宽增益zeta变换器在一个开关周期内主要有2个工作模态，分别描述如下：

工作模态1：

如图2a所示，开关管S开通，第一二极管D₁导通，第二二极管D₂和第三二极管D₃截止。输入电源V_g和第一中间储能电容C₁共同给第一功率电感L₁充电，同时输入电源V_g单独给第二功率电感L₂充电，第一功率电感L₁和第二功率电感L₂储能，第一中间储能电容C₁释放能量。第二中间储能电容C₂向负载侧释放能量，第三功率电感L₃储能。

此工作模态下，相关电气参数关系式为：

V_L1＝V_g+V_C1（1）

V_L2＝V_g（2）

V_L3＝V_g+V_C2-V_o（3）

其中，V_g表示输入电源电压，V_L1表示第一功率电感L₁在此工作模态下的两端电压，V_L2表示第二功率电感L₂在此工作模态下的两端电压，V_L3表示第三功率电感L₃在此工作模态下的两端电压，V_C1表示第一中间储能电容C₁两端电压，V_C2表示第二中间储能电容C₂两端电压，V_o表示输出电压。

工作模态2：

如图2b所示，开关管S关断，第二二极管D₂和第三二极管D₃导通，第一二极管D₁截止。第二功率电感L₂经第二二极管D₂向第一中间储能电容C₁释放能量，第一中间储能电容C₁储能。第一功率电感L₁经第三二极管D₃续流，向第二中间储能电容C₂释放能量，第二中间储能电容C₂储能。第三功率电感L₃经第三二极管D₃续流，向负载释放能量。

此工作模态下，相关电气参数关系式为：

V′_L1＝V_C2-V_C1（4）

V′_L2＝V_C1（5）

V′_L3＝V_o（6）

其中，V′_L1表示第一功率电感L₁在此工作模态下的两端电压，V′_L2表示第二功率电感L₂在此工作模态下的两端电压，V′_L3表示第三功率电感L₃在此工作模态下的两端电压。

变换器稳定工作时电压增益分析：

设开关管工作的开关周期为T_s，占空比为D，即工作模态1持续时间为DT_s，工作模态2持续时间为(1-D)T_s。根据电感伏秒平衡特性，可得：

V_L1DT_s＝V′_L1(1-D)T_s（7）

V_L2DT_s＝V′_L2(1-D)T_s（8）

V_L3DT_s＝V′_L3(1-D)T_s（9）

联立式（1）～式（9）可得：

$V_{C1}=\frac{D}{1-D}{V}_g---\left(10\right)$

$V_{C2}=\frac{(2-D)D}{{(1-D)}^2}{V}_g---\left(11\right)$

$V_o=\frac{D}{{(1-D)}^2}{V}_g---\left(12\right)$

由此可以开出，本发明所述的一种宽增益zeta变换器的电压增益M为：

$M=\frac{V_o}{V_d}=\frac{D}{{(1-D)}^2}$

如图3所示，当占空比D在0～0.8范围内变化时，传统zeta变换器的增益只能在0～4范围内变化，即输出电压只能为输入电压的0～4倍，而本发明所述的变换器的增益可以在0～24范围内变化，输出电压最高可以达到输入电压的24倍，在很大程度上拓展了传统zeta变换器的增益。

与现有技术相比本发明具有如下优点：

本发明无需额外的开关管，结构简单，控制方便；

本发明工作时利用电感-电容-二极管网络的内在特性，开关管S关断时，第二功率电感L₂给第一中间储能电容C₁充电，第一功率电感L₁放电，当开关管S导通时，第一中间储能电容C₁和输入电源V_g同时给第一功率电感L₁充电，从而升高输出电压，结合传统zeta变换器的原有特性实现变换器输出电压增益的拓展。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本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)

1.一种宽增益zeta变换器，其特征在于，包括输入电源（V_g）、开关管（S）、第一功率电感（L₁）、第二功率电感（L₂）、第三功率电感（L₃）、第一中间储能电容（C₁）、第二中间储能电容（C₂）、输出电容（C₃）、第一二极管（D₁）、第二二极管（D₂）、第三二极管（D₃）和负载（R）；

所述开关管（S）的漏极与输入电源（V_g）的正极连接；

所述开关管（S）的源极分别与第一功率电感（L₁）的一端、第一二极管（D₁）的阳极和第二中间储能电容（C₂）的一端连接；

所述第一二极管（D₁）的阴极分别与第二二极管（D₂）的阴极和第二功率电感（L₂）的一端连接；

所述第二二极管（D₂）的阳极分别与第一功率电感（L₁）的另一端和第一中间储能电容（C₁）的一端连接；

所述第二中间储能电容（C₂）的另一端分别与第三二极管（D₃）的阴极和第三功率电感（L₃）的一端连接；

所述第三功率电感（L₃）的另一端分别与输出电容（C₃）的一端和负载（R）的一端连接；

所述第一中间储能电容（C₁）的另一端、第二功率电感（L₂）的另一端、第三二极管（D₃）的阳极、输出电容（C₃）的另一端和负载（R）的另一端均与输入电源（V_g）的负极连接。

2.根据权利要求1所述的一种宽增益zeta变换器，其特征在于：所述第一二极管（D₁）、第二二极管（D₂）、第三二极管（D₃）为快恢复二极管。