CN103490622A - 一种单开关高增益升压变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单开关高增益升压变换器，主要包括由直流电压源、第一电感、第四二极管、第四电容和输出负载构成的普通Boost升压电路环节；由第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第二电感和第三电感构成的储能电路环节。本发明结构简单，与现有的直流升压型变换器相比，在占空比相同的情况下，具有更大的电压增益；开关管关断时承受的开关应力较低；只用一个开关管控制电路的工作，控制简单，适用于需要高电压增益的直流电压变换场合。

Description

一种单开关高增益升压变换器

技术领域

本发明涉及电力电子变换器技术领域，具体涉及一种单开关高增益升压变换器。

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提供的都是电压较低的直流电，不能满足现有用电设备的用电需求，也不能满足并网的要求，因此需要把低电压直流电转换为实际需要的高压直流电。因而高增益、性能稳定的升压变换器成为一个研究热点，该研究对推动光伏、燃料电池产业的发展具有很大的意义。

最基本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，很难满足高增益的变换要求。目前，高增益的单开关升压变换器主要有三种。第一种是利用变压器，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。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。第二种是利用耦合电感，但耦合电感结构复杂，不利于工业加工，难以保证电路的一致性，并且会引起开关器件电压应力过高，带来电磁干扰等影响，导致变换器工作损耗较大。第三种是加入级联升压单元，单元数越多，电压增益越大，但电路元件数越多，结构越复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种单开关高增益升压变换器。

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：

一种单开关高增益升压变换器，包括普通Boost升压电路环节、储能电路环节。

所述普通Boost升压电路环节包括直流电压源、第一电感、第四二极管、第四电容和输出负载；储能电路环节包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第二电感和第三电感。

所述第一电感一端与直流电压源的正极连接，另一端分别与第一二极管的阳极、第二二极管的阳极连接；

所述的第二二极管的阴极分别与开关管的漏极、第二电容的一端、第三电感的一端和第四二极管的阳极连接；

所述的第二电容的另一端分别与第三二极管的阳极、第二电感的一端连接；

所述的第三电感的另一端分别与第三电容的一端，第三二极管的阴极连接；

所述的第二电感的另一端分别与第一电容的一端和第一二极管的阴极连接；

所述的第一电容的另一端分别与直流电压源负极、第三电容另一端、第四电容的一端、负载的一端、开关管源极连接；

所述的第四二极管的阴极分别与第四电容的另一端和负载的另一端连接。

与现有技术相比本发明具有如下优点：

本发明结构简单，与现有的直流升压型变换器相比，在占空比相同的情况下，具有更大的电压增益；开关管关断时承受的开关应力较低；只用一个开关管控制电路的工作，控制简单，适用于需要高电压增益的直流电压变换场合。

附图说明

图1是本发明实施的一种单开关高增益升压变换器的电路图；

图2、图3和图4分别是图1所示本发明实施例电路在一个开关周期内的工作模态图。其中图2是开关管S导通时的工作模态图，图3、图4是开关管S关断时的两种工作模态图。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5分别是本发明实施例在输入电压V_g=12V，开关S的占空比D=0.4，负载R_L=50Ω时的输出电压V_o，开关管两端电压V_ds、流过二极管（D₁、D₂、D₃、D₄）电流的波形图。

图6是本发明实施例电路在占空比（0<D<0.5）下的输出电压增益M和开关管S占空比D的关系图。

具体实施方式

下面结合附图，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。

如图1所示，一种单开关高增益升压变换器包括普通Boost升压电路环节、储能电路环节。

所述普通Boost升压电路环节包括直流电压源V_g、第一电感L₁、第四二极管D₄、第四电容C₄和输出负载R_L；储能电路环节包括第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、第二电感L₂和第三电感L₃。

具体连接方式：

所述第一电感L₁一端与直流电压源的正极连接，另一端分别与第一二极管D₁的阳极、第二二极管D2的阳极连接；

所述的第二二极管D₂的阴极分别与开关管S的漏极、第二电容C₁的一端、第三电感L₃的一端和第四二极管D₄的阳极连接；

所述的第二电容C₁的另一端分别与第三二极管D₃的阳极、第二电感L₂的一端连接；

所述的第三电感L₃的另一端分别与第三电容C₃的一端，第三二极管C₃的阴极连接；

所述的第二电感L₂的另一端分别与第一电容C₂的一端和第一二极管D₁的阴极连接；

所述的第一电容C₂的另一端分别与直流电压源负极、第三电容C₃另一端、第四电容C₄的一端、负载R_L的一端、开关管S源极连接；

所述的第四二极管D₄的阴极分别与第四电容C₄的另一端和负载R_L的另一端连接。

本发明只对电路中电感电流连续的实施例进行分析。

工作模态1：

如图2所示，开关管S导通，设开关管S的占空比为D。第二二极管D₂导通，第一电感L₁电流增大，第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、第四电容C₄放电，第二电感L₂、第三电感L₃电流也增大。该阶段第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃两端承受的电压V_L1、V_L2、V_L3分别为：

V_L1＝V_g   （1）

V_L2＝V_c1+V_c2   （2）

V_L3＝V_c3   （3）

其中，V_g为输入电源电压，V_c1、V_c2、V_c3、V_L1、V_L2、V_L3分别表示第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、第一电感L₁、第二电感L₂和第三电感L₃两端的电压。

工作模态2：

如图3所示，开关管S关断，第四二极管D₄尚未导通，第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃电流减小，第四电容C₄继续放电，第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃充电。该阶段第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃两端承受的电压V_L1、V_L2、V_L3分别为：

V_L1＝V_g-V_c2   （4）

V_L2＝V_c2-V_c3   （5）

V_L3＝V_c1   （6）

工作模态3：

如图4所示，开关管S关断，第四二极管D₄导通。当V_C3+V_C1>V_C4时，电路进入工作模态3。第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃电流继续减小，第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、第四电容C₄充电。该阶段第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃两端承受的电压V_L1、V_L2、V_L3分别为式（4）、式（5）、式（6）。

设开关管S占空比为D，根据电感伏秒平衡特性，以及联立式（1）～式（6）可得：

V_g□D+(V_g-V_c2)(1-D)＝0   （7）

(V_c1+V_c2)□D+(V_c2-V_c3)(1-D)＝0   （8）

V_c3□D＝V_c1(1-D)   （9）

联立式（7）～（8），得：

$V_{\mathrm{cl}}=\frac{D}{1-2D}{V}_{c2}---\left(10\right)$

$V_{c2}=\frac{1}{1-D}{V}_g---\left(11\right)$

$V_{c3}=\frac{1-D}{1-2D}{V}_{c2}---\left(12\right)$

因为

V_o＝V_c1+V_c3   （13）

所以

$V_o=\frac{1}{(1-2D)(1-D)}{V}_g---\left(14\right)$

即本发明所述的一种单开关高增益升压变换器的电压增益M为：

$M=\frac{V_o}{V_g}=\frac{1}{(1-2D)(1-D)}---\left(15\right)$

图5分别是本发明实施例在输入电压V_g=12V，开关S的占空比D=0.4，负载R_L=50Ω时的输出电压V_o，开关管两端电压V_ds、流过二极管（D₁、D₂、D₃、D₄）电流波形图，从图中可以看出开关管关断时承受的开关应力较低。图6是本发明实施例电路在占空比（0<D<0.5）下的输出电压增益M和开关管S占空比D的关系图，可以看出该发明电路的可以实现很高的电压增益。

本发明结构简单，与现有的直流升压型变换器相比，在占空比相同的情况下，具有更大的电压增益；开关管关断时承受的开关应力较低；只用一个开关管控制电路的工作，控制简单，适用于需要高电压增益的直流电压变换场合。

本领域技术人员可以在不违背本发明的原理和实质的前提下对本具体实施例做出各种修改或补充或者采用类似的方式替代，但是这些改动均落入本发明的保护范围。因此本发明技术范围不局限于上述实施例。

Claims (2)

1.一种单开关高增益升压变换器，其特征在于包括普通Boost电路环节和储能电路环节；普通Boost升压电路环节包括直流电压源（V_g）、第一电感（L₁）、第四二极管（D₄）、第四电容（C₄）和输出负载（R_L）；储能电路环节包括第一二极管（D₁）、第二二极管（D₂）、第三二极管（D₃）、第一电容（C₁）、第二电容（C₂）、第三电容（C₃）、第二电感（L₂）和第三电感（L₃）。

2.根据权利要求1所述的单开关高增益升压变换器，其特征在于所述第一电感（L₁）一端与直流电压源的正极连接，另一端分别与第一二极管（D₁）的阳极、第二二极管（D₂）的阳极连接；

所述的第二二极管（D₂）的阴极分别与开关管（S）的漏极、第二电容（C₁）的一端、第三电感（L₃）的一端和第四二极管（D₄）的阳极连接；

所述的第二电容（C₁）的另一端分别与第三二极管（D₃）的阳极、第二电感（L₂）的一端连接；

所述的第三电感（L₃）的另一端分别与第三电容（C₃）的一端，第三二极管（C₃）的阴极连接；

所述的第二电感（L₂）的另一端分别与第一电容（C₂）的一端和第一二极管（D₁）的阴极连接；

所述的第一电容（C₂）的另一端分别与直流电压源负极、第三电容（C₃）另一端、第四电容（C₄）的一端、负载（R_L）的一端、开关管（S）源极连接；

所述的第四二极管（D₄）的阴极分别与第四电容（C₄）的另一端和负载（R_L）的另一端连接。

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