CN103490635B - 一种改进型h桥升降压直流变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本技术方案公开了一种改进型H桥升降压直流变换器及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域。该变换器由输入源(V_in)、第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第一变压器(T₁)、第三开关管(S₃)、第四开关管(S₄)、第一电容(C₁)、第一二极管(D₁)、第五开关管(S₅)、第二电容(C₂)和负载(R_o)构成；本改进型H桥升降压直流变换器适合宽输入电压范围升降压变换应用场合。

Description

一种改进型H桥升降压直流变换器及其控制方法

技术领域

本技术方案涉及一种改进型H桥升降压直流变换器及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域。

背景技术

升降压直流变换器在光伏发电系统、可再生能源供电系统、蓄电池充放电等电压宽范围变化的场合具有广泛的应用前景。在光伏发电系统中，由于光伏电池的输出电压随外界环境条件的变化存在较大范围的波动，因此前级直流-直流变换器(光伏优化器)需要适应宽范围变化输入电压的要求。

传统的单开关管升降压直流变换器，如Buck/Boost、Flyback、SEPIC和Cuk变换器等，虽然能够实现升降压变换的功能，但它们存在诸如器件应力高、体积重量大、输入输出反极性等问题，限制了它们在某些场合的应用。

附图1所示H桥升降压直流变换器只使用一个电感，拓扑结构简洁、功率密度高，在光伏发电等新能源系统中获得较为广泛的应用。而在某些应用场合如光伏发电、蓄电池充电等，可能存在极端升降压变换情况，如升压范围较大而降压范围较小或降压范围较大而升压范围较小。当升压范围较大而降压范围较小时，若采用附图1所示的H桥升降压变换器，则在最低电压点升压变换时需要极端占空比才能满足较大的电压增益输出，影响变换器的效率。

发明内容

本技术方案针对现有技术的不足，提供一种改进型H桥升降压直流变换器及其控制方法。具体如下：

一种改进型H桥升降压直流变换器，由输入源V_in、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一变压器T₁、第三开关管S₃、第四开关管S₄、第一电容C₁、第一二极管D₁、第五开关管S₅、第二电容C₂和负载R_o构成；其中，

输入源V_in的正极连于第一开关管S₁的漏极，第一开关管S₁的源极连于第二开关管S₂的漏极和第一变压器T₁原边绕组N_p的同名端，第一变压器T₁原边绕组N_p的非同名端连于第三开关管S₃的漏极和第四开关管S₄的源极，第四开关管S₄的漏极连于第一电容C₁的一端、第二电容C₂的一端和第一变压器T₁副边绕组N_s的同名端，第一变压器T₁副边绕组N_s的非同名端连于第一二极管D₁的阳极，第一二极管D₁的阴极连于第五开关管S₅的漏极，第五开关管S₅的源极连于第二电容C₂的另一端和负载R_o的一端，负载R_o的另一端连于第一电容C₁的另一端、第三开关管S₃的源极、第二开关管S₂的源极和输入源V_in的负极。

上述改进型H桥升降压直流变换器的控制方法，所述第一开关管S₁和第二开关管S₂互补导通，第三开关管S₃和第四开关管S₄互补导通；在本变换器处于降压模式，第一开关管S₁和第二开关管S₂高频开关工作，第三开关管S₃保持关断而第四开关管S₄保持导通，同时第五开关管S₅保持关断；在本变换器处于升压模式，第三开关管S₃和第四开关管S₄高频开关工作，第一开关管S₁保持导通而第二开关管S₂保持关断，同时第五开关管S₅保持导通。

本技术方案中，所述开关管优选场效应管。

基于上述控制方法的改进型H桥升降压直流变换器，不需要极端占空比，通过调整变压器匝数比，可以实现较高的电压增益。

本技术方案具有如下技术效果：

(1)输入输出可以实现宽范围升降压变换；

(2)在极端升降压变换场合，可以不需要极端占空比就获得较大的电压增益，提高了变换器的效率；

附图说明

附图1是传统的H桥升降压直流变换器电路原理图；

附图2是本改进型H桥升降压直流变换器电路原理图；

附图3是本改进型H桥升降压直流变换器在降压下的等效电路图；

附图4是本改进型H桥升降压直流变换器在升压下的等效电路图；

附图5（a）和（b）是本改进型H桥升降压直流变换器在升压模式时各开关模态下的等效电路图；在具体实施例中，图5（a）为开关模态1下的等效电路图，图5（b）为开关模态2下的等效电路图；

以上附图中的符号名称：V_in为输入源；T₁为第一变压器；S₁、S₂、S₃、S₄和S₅分别为第一、第二、第三、第四和第五开关管；D₁为第一二极管；C₁和C₂分别为第一、第二电容；R_o为负载；V_o为输出电压。

具体实施方式

下面结合附图对本技术方案的技术方案进行详细说明。

如附图2所示，本技术方案所述改进型H桥升降压直流变换器由输入源V_in、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一变压器T₁、第三开关管S₃、第四开关管S₄、第一电容C₁、第一二极管D₁、第五开关管S₅、第二电容C₂和负载R_o构成；其中，输入源V_in的正极连于第一开关管S₁的漏极，第一开关管S₁的源极连于第二开关管S₂的漏极和第一变压器T₁原边绕组N_p的同名端，第一变压器T₁原边绕组N_p的非同名端连于第三开关管S₃的漏极和第四开关管S₄的源极，第四开关管S₄的漏极连于第一电容C₁的一端、第二电容C₂的一端和第一变压器T₁副边绕组N_s的同名端，第一变压器T₁副边绕组N_s的非同名端连于第一二极管D₁的阳极，第一二极管D₁的阴极连于第五开关管S₅的漏极，第五开关管S₅的源极连于第二电容C₂的另一端和负载R_o的一端，负载R_o的另一端连于第一电容C₁的另一端、第三开关管S₃的源极、第二开关管S₂的源极和输入源V_in的负极。

基于上述改进型H桥升降压直流变换器的控制方法，所述第一开关管S₁和第二开关管S₂互补导通，第三开关管S₃和第四开关管S₄互补导通；

在降压模式：第一开关管S₁和第二开关管S₂高频开关工作，第三开关管S₃保持关断而第四开关管S₄保持导通，同时第五开关管S₅保持关断；

在升压模式：第三开关管S₃和第四开关管S₄高频开关工作，第一开关管S₁保持导通而第二开关管S₂保持关断，同时第五开关管S₅保持导通。

基于上述控制方法的改进型H桥升降压直流变换器，不需要极端占空比，通过调整变压器匝数比，可以实现较高的电压增益。

根据输入、输出电压关系，本改进型H桥升降压直流变换器主要有两种降压和升压模式，下面结合附图3～5，详细介绍其工作过程。

降压模式下，第一开关管S₁和第二开关管S₂高频开关工作，第三开关管S₃保持关断而第四开关管S₄保持导通，同时第五开关管S₅保持关断，本技术方案改进型H桥升降压直流变换器等效成传统的Buck变换器，等效电路图如附图3所示，具体工作模态在此不再详述。

升压模式下，第三开关管S₃和第四开关管S₄高频开关工作，第一开关管S₁保持导通而第二开关管S₂保持关断，同时第五开关管S₅保持导通，本改进型H桥升降压直流变换器等效成传统的Boost变换器和Flyback变换器在输入端共用储能电感、输出端电容串联，等效电路图如附图4所示。

本实施例中，开关管为场效应管。

下面详细分析本变换器的工作模态。

假设所有电感、电容、开关管和二极管都为理想器件，变压器原边绕组N_p激磁电感为L_m，变压器匝数比(副边/原边)为n，根据开关管S₃和S₄的开关状态，在电感电流连续的情况下，变换器共有两种可能的开关模态。

开关模态1：开关管S₃开通、S₄关断，等效电路如附图5(a)所示，此时二极管D₁关断，电感L_m的电流i_Lm变化率满足：

$\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Lm}}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{\mathrm{in}}}{L_m}---\left(1\right)$

开关模态2：开关管S₃关断、S₄开通，等效电路如附图5(b)所示，此时二极管D₁导通，电感L_m的电流i_Lm变化率满足：

$\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Lm}}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{\mathrm{in}}-V_{c1}}{L_m}---\left(2\right)$

假设开关管S₃的占空比分别为d₂，则对于Boost部分，根据电感伏秒平衡可以得到，输入、输出电压关系满足：

$V_{\mathrm{cl}}=\frac{V_{\mathrm{in}}}{1-d_2}---\left(3\right)$

对于Flyback部分，输入、输出电压关系满足：

$V_{c2}=\frac{{\mathrm{nd}}_2{V}_{\mathrm{in}}}{1-d_2}---\left(4\right)$

则在升压模式下，变换器总的电压增益为Boost部分和Flyback部分之和，得到：

$V_o=V_{\mathrm{cl}}+C_{c2}=\frac{1+{\mathrm{nd}}_2}{1-d_2}{V}_{\mathrm{in}}---\left(5\right)$

由式(5)可知，本改进型H桥升降压变换器在升压模式下，不需要极端占空比，通过调整变换器匝数比，就可以实现较高的电压增益，能够适应任意的输入输出电压，满足宽范围升降压变换的应用需求，尤其适用于升压范围较大、降压范围较小的极端升降压变换应用场合。

Claims (2)

1.一种改进型H桥升降压直流变换器，其特征在于：

所述改进型H桥升降压直流变换器由输入源(V_in)、第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第一变压器(T₁)、第三开关管(S₃)、第四开关管(S₄)、第一电容(C₁)、第一二极管(D₁)、第五开关管(S₅)、第二电容(C₂)和负载(R_o)构成，其中，输入源(V_in)的正极连于第一开关管(S₁)的漏极，第一开关管(S₁)的源极连于第二开关管(S₂)的漏极和第一变压器(T₁)原边绕组(N_p)的同名端，第一变压器(T₁)原边绕组(N_p)的非同名端连于第三开关管(S₃)的漏极和第四开关管(S₄)的源极，第四开关管(S₄)的漏极连于第一电容(C₁)的一端、第二电容(C₂)的一端和第一变压器(T₁)副边绕组(N_s)的同名端，第一变压器(T₁)副边绕组(N_s)的非同名端连于第一二极管(D₁)的阳极，第一二极管(D₁)的阴极连于第五开关管(S₅)的漏极，第五开关管(S₅)的源极连于第二电容(C₂)的另一端和负载(R_o)的一端，负载(R_o)的另一端连于第一电容(C₁)的另一端、第三开关管(S₃)的源极、第二开关管(S₂)的源极和输入源(V_in)的负极。

2.一种权利要求1的改进型H桥升降压直流变换器的控制方法，其特征在于：所述第一开关管(S₁)和第二开关管(S₂)互补导通，第三开关管(S₃)和第四开关管(S₄)互补导通；在本变换器处于降压模式下，第一开关管(S₁)和第二开关管(S₂)高频开关工作，第三开关管(S₃)保持关断而第四开关管(S₄)保持导通，同时第五开关管(S₅)保持关断；在本变换器处于升压模式下，第三开关管(S₃)和第四开关管(S₄)高频开关工作，第一开关管(S₁)保持导通而第二开关管(S₂)保持关断，同时第五开关管(S₅)保持导通。