CN103490628A - 一种单相高增益升压变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单相高增益升压变换器，主要包括依次连接的电压转移电路、耦合电感升压电路和输出电路。所述电压转移电路包括第一电感、开关管和第一电容；所述耦合电感升压电路包括耦合电感的原边绕组和副边绕组、第二电容、第三电容、第一二极管和第二二极管；所述输出电路包括第三二极管、第四电容和负载。本发明结构简单，输出电压增益高。

Description

一种单相高增益升压变换器

技术领域

本发明涉及电力电子变换器技术领域，具体涉及一种单相高增益升压变换器。 

背景技术

在新能源领域如太阳能发电或者燃料电池等系统中，由于单个模块提供的都是电压较低的直流电，而实际所需的电压等级通常较高，因此需要一级高效率、高增益、性能稳定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。基于常规单管Boost变换器采用耦合电感技术可以实现增益的扩展，但是输入电流纹波较大。使用开关电容技术也可以实现增益拓展，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，并且变换器的增益与结构的复杂度成正比，即增益越高，电路越复杂。 

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种单相高增益升压变换器。 

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： 

一种单相高增益升压变换器，包括依次连接的电压转移电路、耦合电感升压电路和输出电路。 

所述电压转移电路包括第一电感、开关管和第一电容； 

所述耦合电感升压电路包括耦合电感的原边绕组和副边绕组、第二电容、第三电容、第一二极管和第二二极管； 

所述输出电路包括第三二极管、第四电容和负载。 

所述第一电感的一端与输入电源的正极连接，第一电感的另一端分别开关管的漏极、第一电容的一端连接； 

所述开关管的源极与输入电源的负极连接； 

所述第一电容的另一端分别与第一二极管的阳极、第二电容的一端、耦合电感的原边绕组的异名端连接； 

所述耦合电感的原边绕组的同名端与输入电源的负极连接； 

所述第一二极管的阴极分别与第三电容的一端、耦合电感的副边绕组的异名端连接； 

所述第二电容的另一端分别与耦合电感的副边绕组的同名端第二二极管的阳极连接； 

所述第三电容的另一端分别与第二二极管的阴极、第三二极管的阳极连接； 

所述第三二极管的阴极分别与第四电容的一端、负载的一端连接； 

所述第四电容的另一端、负载的另一端与输入电源的负极连接； 

与现有技术相比本发明具有如下优点： 

（1）本发明无需额外的功率开关，结构简单，控制方便，效率高； 

（2）本发明的变换器工作时，输入电流纹波较小，便于输入电流滤波； 

（3）本发明中的耦合电感在开关管开通和关断的过程中均参与能量传递，提高了耦合电感的利用率； 

（4）本发明同时利用两个电容即第二电容和第三电容实现电压转移，不仅实现了电压增益的进一步拓展，而且进一步提高了耦合电感的利用率。 

附图说明

图1是本发明所述的一种单相高增益升压变换器的实施例的电路图； 

图2a、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； 

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，一种单相高增益升压变换器，包括依次连接的电压转移电路X、耦合电感升压电路Y和输出电路Z。 

所述电压转移电路X包括第一电感L₁、开关管S和第一电容C₁； 

所述耦合电感升压电路Y包括耦合电感的原边绕组L₂₁和耦合电感的副边 绕组L₂₂、第二电容C₂、第三电容C₃、第一二极管D₁和第二二极管D₂； 

所述输出电路包括第三二极管D₃、第四电容C₄和负载R。 

所述第一电感L₁的一端与输入电源V_g的正极连接，第一电感L₁的另一端分别开关管S的漏极、第一电容C₁的一端连接； 

所述开关管S的源极与输入电源V_g的负极连接； 

所述第一电容C₁的另一端分别与第一二极管D₁的阳极、第二电容C₂的一端、耦合电感的原边绕组L₂₁的异名端连接； 

所述耦合电感的原边绕组L₂₁的同名端与输入电源V_g的负极连接； 

所述第一二极管D₁的阴极分别与第三电容C₃的一端、耦合电感的副边绕组L₂₂的异名端连接； 

所述第二电容C₂的另一端分别与耦合电感的副边绕组L₂₂的同名端第二二极管D₂的阳极连接； 

所述第三电容C₃的另一端分别与第二二极管D₂的阴极、第三二极管D₃的阳极连接； 

所述第三二极管D₃的阴极分别与第四电容C₄的一端、负载R的一端连接； 

所述第四电容C₄的另一端、负载R的另一端与输入电源V_g的负极连接； 

如图2a和图2b所示，一种单相高增益升压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、第二二极管D₂导通，第三二极管D₃截止。输入电源V_g给第一电感L₁充电，第一电感L₁储能，第一电容C₁通过耦合电感向第二电容C₂、第三电容C₃传递能量，第二电容C₂和第三电容C₃储能。第四电容C₄给负载R提供能量。 

此工作模态下，相关电气参数关系式为： 

V_L1＝V_d                                        （1） 

V_L21＝V_C1                                      （2） 

V_C2＝V_C3＝NV_C1                                 （3） 

其中，V_d表示输入电源电压，V_L1表示第一电感L₁在此工作模态下的两端电压，V_L21表示耦合电感的励磁电感在此工作模态下的两端电压，V_C1、V_C2、V_C3分别表示第一电容C₁、第二电容C₂和第三电容C₃两端电压，N（N≥1）表示耦合电感原边绕组与副边绕组的匝数之比。 

工作模态2： 

如图2b所示，开关管S断开，第三二极管D₃导通，第一二极管D₁和第二二极管D₂截止。第一电感L₁释放能量，第二电容和第三电容C₃同时向输出电路释放能量，第四电容C₄储能。 

此工作模态下，相关电气参数表达式为： 

V′_L21+V_C2+V_C3+NV′_L21＝V_o                   （4） 

V′_L1+V_d＝V_C2+V′_L21                         （5） 

其中，V_o表示输出电压，V′_L21表示耦合电感的励磁电感在此工作模态下的两端电压，V′_L1表示第一电感L₁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                      （6） 

V_L21DT_s＝V′_L21(1-D)T_s                    （7） 

联立式（1）～式（7）可得： 

$V_o=\frac{2N+D-\mathrm{ND}}{1-D}{V}_d$

由此可以开出，本发明所述的一种单相高增益升压变换器的电压增益M为： 

$M=\frac{V_o}{V_d}=\frac{2N+D-\mathrm{ND}}{1-D}$

与现有技术相比本发明具有如下优点： 

本发明无需额外的功率开关，结构简单，控制方便，效率高； 

本发明的变换器工作时，输入电流纹波较小，便于输入电流滤波； 

本发明中的耦合电感在开关管开通和关断的过程中均参与能量传递，提高了耦合电感的利用率； 

本发明同时利用两个电容即第二电容C₂和第三电容C₃实现电压转移，不仅实现了电压增益的进一步拓展，而且进一步提高了耦合电感的利用率。 

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)

1.一种单相高增益升压变换器，其特征在于，包括顺次连接的电压转移电路（X）、耦合电感升压电路（Y）和输出电路（Z）；

所述电压转移电路（X）包括第一电感（L₁）、开关管（S）和第一电容（C₁）；

所述耦合电感升压电路（Y）包括耦合电感的原边绕组（L₂₁）、耦合电感的副边绕组（L₂₂）、第二电容（C₂）、第三电容（C₃）、第一二极管（D₁）和第二二极管（D₂）；

所述输出电路（Z）包括第三二极管（D₃）、第四电容（C₄）和负载（R）。

2.根据权利要求1所述的一种单相高增益升压变换器，其特征在于，所述第一电感（L₁）的一端与输入电源（V_g）的正极连接，第一电感（L₁）的另一端分别开关管（S）的漏极和第一电容（C₁）的一端连接；

所述开关管（S）的源极与输入电源（V_g）的负极连接；

所述第一电容（C₁）的另一端分别与第一二极管（D₁）的阳极、第二电容（C₂）的一端和耦合电感的原边绕组（L₂₁）的异名端连接；

所述耦合电感的原边绕组（L₂₁）的同名端与输入电源（V_g）的负极连接；

所述第一二极管（D₁）的阴极分别与第三电容（C₃）的一端、耦合电感的副边绕组（L₂₂）的异名端连接；

所述第二电容（C₂）的另一端分别与耦合电感的副边绕组（L₂₂）的同名端第二二极管（D₂）的阳极连接；

所述第三电容（C₃）的另一端分别与第二二极管（D₂）的阴极和第三二极管（D₃）的阳极连接；

所述第三二极管（D₃）的阴极分别与第四电容（C₄）的一端和负载（R）的一端连接；

所述第四电容（C₄）的另一端、负载（R）的另一端与输入电源（V_g）的负极连接。

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