CN103490619B - 高增益3-Z型Boost电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高增益3-Z型Boost电路，第一Z网络，第二Z网络，第三Z网络和输出电路。本发明以第一Z网络为第一级升压模块；以第三Z网络为第二级升压模块；以第二Z网络为开关切换模块；第九二极管、第二储能电容和负载为输出模块。开关管导通时，电源对第一Z网络中的两个感进行并联充电，第一储能电容对第二Z网络中的两个电感进行并联充电，第二储能电容对负载放电；开关管关断时，电源与第一电感串联后再与第二电感串联为第一储能电容充电，完成第一级升压；第一级升压模块与第三电感串联后再与第四电感串联给第二储能电容供电，完成第二级升压。整个电路只用一个开关管，且能获得较高的输出电压增益。

Description

高增益3-Z型Boost电路

技术领域

本发明涉及电力电子电路技术领域，具体涉及高增益3-Z型Boost电路。

背景技术

随着生活和工业的发展，对电力电子电路的要求也日益苛刻。传统的Boost电路已经无法满足工业的需要，工业上需要更高增益的升压电路。传统的方法是通过多个Boost环节电路级联来升压，该方法成本较高，且由于开关管数目的增多，导致系统的稳定性和可靠性下降，若其中一个环节崩溃，整个系统将会崩溃。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种高增益3-Z型Boost电路。本发明适用于需要高增益的电力电子电路。

高增益3-Z型Boost电路，主要包括顺次连接的第一Z网络、第二Z网络、第三Z网络和输出电路，其中第一Z网络由第一电感、第二电感、第一二极管、第二二极管和第三二极管构成；第二Z网络由开关管、第四二极管、第五二极管和第一储能电容构成；第三Z网络由第三电感、第四电感、第六二极管、第七二极管和第八二极管构成；输出电路由第九二极管、第二储能电容和负载构成。

上述的高增益3-Z型Boost电路，直流电源的正极分别与第一电感的一端和第一二极管的阳极连接；第一二极管的阴极分别与第二电感的一端和第二二极管的阴极连接；第二二极管的阳极分别与第三二极管的阳极和第一电感的另外一端连接；第二电感的另外一端分别与第三二极管的阴极、第四二极管的阳极和第五二极管的阳极连接；第五二极管的阴极分别与第一储能电容的一端、第三电感的一端和第六二极管的阳极连接；第六二极管的阴极分别与第四电感的一端和第七二极管的阴极连接；第七二极管的阳极分别与第八二极管的阳极和第三电感的另外一端连接；开关管的源极分别与第四二极管的阴极、第四电感的另外一端、第八二极管的阴极和第九二极管的阳极连接；第九二极管的阴极分别与第二储能电容的一端和负载的一端连接；第二储能电容的另外一端分别与负载的另外一端、开关管的漏极、第一储能电容的另外一端和电源的负极连接。

本发明所述的高增益Z网络结构Boost电路，以第一Z网络为第一级升压模块；以第三Z网络为第二级升压模块；以第二Z网络为开关切换模块；第九二极管、第二储能电容和负载为输出模块。开关管导通时，电源对第一Z网络中的两个电感进行并联充电，第一储能电容对第三Z网络中的两个电感进行并联充电，第二储能电容对负载放电；开关管关断时，电源与第一电感串联后再与第二电感串联为第一储能电容充电，完成第一级升压；第一级升压模块与第三电感串联后再与第四电感串联给第二储能电容供电，完成第二级升压，同时对负载R供电。整个电路只用一个开关管，且能获得较高的输出电压增益。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

相比传统的两个Boost电路级联所获得的电压增益，该电路所获得增益要更高，调压范围更宽，性能更好且该电路少用了一个开关管。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中的高增益3-Z型Boost电路。

图2a、图2b分别是图1所示高增益3-Z型Boost电路在其开关管Q导通和关断时段的等效电路图。

图3为高增益3-Z型Boost电路的主要波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施作进一步描述，但本发明的实施和保护范围不限于此。

参考图1，本发明所述的高增益3-Z型Boost电路主要包括第一Z网络1，第二Z网络2，第三Z网络3和输出电路。本发明所述的高增益Z网络结构Boost电路，以第一Z网络1为第一级升压模块；以第三Z网络3为第二级升压模块；以第二Z网络2为开关切换模块；第九二极管D₉、第二储能电容C₂和负载R为输出模块。开关管Q导通时，电源同时对第一Z网络1中的第一电感L₁和第二电感L₂进行并联充电，第一储能电容C₁同时也对第三Z网络3中的第三电感L₃和第四电感L₄进行并联充电，第二储能电容C₂对负载R放电；开关管Q关断时，电源与第一电感L₁串联后再与第二电感L₂串联为第一储能电容C₁充电，完成第一级升压；第一级升压模块与第三电感L₃串联后再与第四电感L₄串联给第二储能电容C₂供电，完成第二级升压，同时给负载供电。整个电路只用一个开关管，且能获得较高的输出电压增益。

本发明所述的高增益3-Z型Boost电路的具体连接如下：直流电源V_s的正极分别与第一电感L₁的一端和第一二极管D₁的阳极连接；第一二极管D₁的阴极分别与第二电感L₂的一端和第二二极管D₂的阴极连接；第二二极管D₂的阳极分别与第三二极管D₃的阳极和第一电感L₁的另外一端连接；第二电感L₂的另外一端分别与第三二极管D₃的阴极、第四二极管D₄的阳极和第五二极管D₅的阳极连接；第五二极管D₅的阴极分别与第一储能电容C₁的一端、第三电感L₃的一端和第六二极管D₆的阳极连接；第六二极管D₆的阴极分别与第四电感L₄的一端和第七二极管D₇的阴极连接；第七二极管D₇的阳极分别与第八二极管D₈的阳极和第三电感L₃的另外一端连接；开关管Q的源极分别与第四二极管D₄的阴极、第四电感L₄的另外一端、第八二极管D₈的阴极和第九二极管D₉的阳极连接；第九二极管D₉的阴极分别与第二储能电容C₂的一端和负载R的一端连接；第二储能电容C₂的另外一端分别与负载R的另外一端、开关管Q的漏极、第一储能电容C₁的另外一端和电源V_s的负极连接。

图2a、图2b给出了本发明电路的工作过程图。图2a、图2b分别是开关管Q导通和关断时段的等效电路图。

本发明的工作过程如下：

阶段1，如图2a：开关管Q导通，此时第一二极管D₁、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第六二极管D₆和第八二极管D₈导通，第二二极管D₂、第五二极管D₅、第七二极管D₇和第九二极管D₉处于关断状态。电路形成单独的三个回路，分别是：电源对并联的第一电感L₁和第二电感L₂分别形成回路，进行充电；第一储能电容C₁对并联的第三电感L₃和第四电感L₄分别形成回路，进行充电；第二储能电容C₂与负载R形成回路，传递能量。

阶段2，如图2b：开关管Q关断，此时第二二极管D₂、第五二极管D₅、第七二极管D₇和第九二极管D₉导通，第一二极管D₁、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第六二极管D₆和第八二极管D₈处于关断状态。电路形成两个级联的升压电路，分别是：电源与第一电感L₁串联后再与第二电感L₂串联，对第一储能电容C₁充电，完成第一级升压；第一级升压模块与第三电感L₃串联后再与第四电感L₄串联，对第二储能电容C₂充电，完成第二次升压，同时对负载R供电。

综上情况，设开关管占空比为D。在一个开关周期内，输出电压为U_o。得出以下的电压增益推导过程。

开关管Q导通期间，第一电感L₁和第二电感L₂分别并联于电源V_s两端，两电感电压都等于输入电压V_s，有公式：V_L1＝V_L2＝V_s，导通时间为DT；第三电感L₃和第四电感L₄分别并联于第一储能电容C₁两端，它们的电压都等于第一储能电容C₁两端电压V_C1。有公式：V_L3＝V_L4＝V_C1，导通时间为DT。其中，T为开关周期，V_L1、V_L2、V_L3和V_L4分别是第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃和第四电感L₄电压。

开关管Q关断期间，电源与第一电感L₁串联后再与第二电感L₂串联，再并于第一储能电容C₁两端为其充电，有公式：V_s+V_L1+V_L2＝V_C1，导通时间为T-DT；第一级升压模块与第三电感L₃串联后再与第四电感L₄串联，再并联于第二储能电容C₂两端，有公式：V_s+V_L1+V_L2+V_L3+V_L4＝V_C1+V_L3+V_L4＝V_C2＝U_o。

由以上分析，根据电感伏秒数守恒原理，有：

对于第一电感L₁和第二电感L₂:(V_L1+V_L2)D=2V_s=(1-D)(V_C1-V_s)；

对于第三电感L₃和第四电感L₄:(V_L3+V_L4)D=2V_C1=(1-D)(U_o-V_C1)；

联立以上两式子，可得到该电路的增益表达式为：

$M=\frac{U_o}{V_s}={\left(\frac{1+D}{1-D}\right)}^2.$

一般的Boost电路，其增益因子只有：两个级联的Boost电路，其增益因子为：通过比较可以得出本发明电路的增益因子明显高于级联Boost电路的增益因子。

如图3所示，图上方的波形图为开关管的驱动波形V_Q，图下方的波形图中，上面的直线为本发明电路输出电压的波形U_O1，下面的直线为两个传统Boost电路级联后的输出电压U_O2波形，由图中可见高增益3-Z型boost电路明显比两个传统Boost电路级联后增加了的输出电压，如图3所示。

本发明是高增益3-Z型Boost电路。本发明解决了传统Boost电路的增益局限问题，提出一种高增益3-Z型Boost电路。

Claims (1)

1.高增益3-Z型Boost电路，其特征在于包括顺次连接的第一Z网络（1）、第二Z网络（2）、第三Z网络（3）和输出电路，其中第一Z网络（1）由第一电感（L₁）、第二电感（L₂）、第一二极管（D₁）、第二二极管（D₂）和第三二极管（D₃）构成；第二Z网络由开关管（Q）、第四二极管（D₄）、第五二极管（D₅）和第一储能电容（C₁）构成；第三Z网络由第三电感（L₃）、第四电感（L₄）、第六二极管（D₆）、第七二极管（D₇）和第八二极管（D₈）构成；输出电路由第九二极管（D₉）、第二储能电容（C₂）和负载（R）构成；

直流电源（V_s）的正极分别与第一电感（L₁）的一端和第一二极管（D₁）的阳极连接；第一二极管（D₁）的阴极分别与第二电感（L₂）的一端和第二二极管（D₂）的阴极连接；第二二极管（D₂）的阳极分别与第三二极管（D₃）的阳极和第一电感（L₁）的另外一端连接；第二电感（L₂）的另外一端分别与第三二极管（D₃）的阴极、第四二极管（D₄）的阳极和第五二极管（D₅）的阳极连接；第五二极管（D₅）的阴极分别与第一储能电容（C₁）的一端、第三电感（L₃）的一端和第六二极管（D₆）的阳极连接；第六二极管（D₆）的阴极分别与第四电感（L₄）的一端和第七二极管（D₇）的阴极连接；第七二极管（D₇）的阳极分别与第八二极管（D₈）的阳极和第三电感（L₃）的另外一端连接；开关管（Q）的源极分别与第四二极管（D₄）的阴极、第四电感（L₄）的另外一端、第八二极管（D₈）的阴极和第九二极管（D₉）的阳极连接；第九二极管（D₉）的阴极分别与第二储能电容（C₂）的一端和负载（R）的一端连接；第二储能电容（C₂）的另外一端分别与负载（R）的另外一端、开关管（Q）的漏极、第一储能电容（C₁）的另外一端和电源（V_s）的负极连接。