CN103560666A - 具有低纹波的四开关升降压变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有低纹波的四开关升降压变换器及其控制方法，包括输入源、第一滤波电感、第一滤波电容、第一开关管、第二开关管、第二滤波电感、第三开关管、第四开关管、第二滤波电容、第三滤波电感和负载；直流升压变换时，所述第三开关管和第四开关管工作在高频开关状态且互补导通，所述第一开关管保持直通而第二开关管保持关断；直流降压变换时，所述第一开关管和第二开关管工作在高频开关状态且互补导通，所述第三开关管保持直通而第四开关管保持关断。本发明提供的具有低纹波的四开关升降压变换器及其控制方法，输入源和输出之间为单级功率变换且保证电流连续，从而提高变换效率，有效降低了直流变换器输入输出端的纹波。

Description

具有低纹波的四开关升降压变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电压变换器及其控制方法，尤其涉及一种具有低纹波的四开关升降压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。低纹波是直流-直流变换器所关注的重要性能指标，不仅可以减小滤波器的体积和重量，还可以有效改善输入源或负载的电能质量。在光伏发电应用场合，升降压变换器通常作为前级直流变换器与光伏电池相连，低纹波可以有效保证最大功率点跟踪具有良好的性能。

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。

请参见图1，现有的四开关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，但输入和输出端的电流都断续，不满足低纹波场合的应用需求。为了实现输入输出端的低纹波，需要额外在其输入和输出端均增加一个LC滤波器，如图2所示，从而增加了变换器的体积、重量和成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有低纹波的四开关升降压直流变换器及其控制方法，能够有效降低直流变换器输入输出端的纹波，输入/输出之间为单级功率变换，变换效率高；且输入/输出电流连续，适用于对电流纹波要求较小的场合。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种具有低纹波的四开关升降压变换器，包括输入源、第一滤波电感、第一滤波电容、第一开关管、第二开关管、第二滤波电感、第三开关管、第四开关管、第二滤波电容、第三滤波电感和负载，所述输入源的正极连于第一滤波电感的一端，所述第一滤波电感的另一端分别连于第一滤波电容的一端和第一开关管的漏极，所述第一开关管的源极分别连于第二开关管的漏极和第二滤波电感的一端，所述第二滤波电感的另一端分别连于第三开关管的源极和第四开关管的漏极，所述第三开关管的漏极分别连于第二滤波电容的一端和第三滤波电感的一端，所述第三滤波电感的另一端连于负载的一端，所述负载的另一端分别连于第二滤波电容的另一端、第四开关管的源极、第二开关管的源极、第一滤波电容的另一端和输入源的负极。

上述的具有低纹波的四开关升降压变换器，其中，所述第一滤波电感与第三滤波电感为耦合电感，两者共用磁芯且反向耦合。

上述的具有低纹波的四开关升降压变换器，其中，所述第一滤波电感的同名端和输入源的正极相连，所述第三滤波电感的同名端通过负载和输入源的负极相连。

本发明为解决上述技术问题还提供一种上述具有低纹波的四开关升降压变换器的控制方法，其中，包括如下步骤：直流升压变换时，所述第三开关管和第四开关管工作在高频开关状态且互补导通，所述第一开关管保持直通而第二开关管保持关断；直流降压变换时，所述第一开关管和第二开关管工作在高频开关状态且互补导通，所述第三开关管保持直通而第四开关管保持关断。

上述的具有低纹波的四开关升降压变换器的控制方法，其中，直流升压变换时，所述输入源的输入电压V_in和直流输出电压V₀关系如下：直流降压变换时，所述输入源的输入电压V_in和直流输出电压V₀关系如下：V_o＝d₁V_in；d₁为第一开关管的占空比，d₂为第四开关管的占空比。

上述的具有低纹波的四开关升降压变换器的控制方法，其中，稳态工作时，所述输入源的输入电压V_in和直流输出电压V₀关系如下：

d₁为第一开关管的占空比，d₂为第四开关管的占空比。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的具有低纹波的四开关升降压变换器及其控制方法，所述输入源和输出之间为单级功率变换且保证电流连续，从而提高变换效率，有效降低了直流变换器输入输出端的纹波，适用于对电流纹波要求较小的场合。

附图说明

图1为现有四开关升降压直流变换器电路原理图；

图2为现有带有独立输入输出LC滤波器的四开关升降压直流变换器电路原理图；

图3为本发明具有低纹波的四开关升降压变换器电路原理图；

图4(a)为本发明具有低纹波的四开关升降压变换器在升压工作模式下的等效电路图；

图4(b为本发明具有低纹波的四开关升降压变换器在降压工作模式下的等效电路图；

图5(a)为本发明具有低纹波的四开关升降压变换器在升压工作模态1下的等效电路图；

图5(b)为本发明具有低纹波的四开关升降压变换器在升压工作模态2下的等效电路图；

图6(a)为本发明具有低纹波的四开关升降压变换器在降压工作模态1下的等效电路图；

图6(b)为本发明具有低纹波的四开关升降压变换器在降压工作模态2下的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

图3为本发明具有低纹波的四开关升降压变换器电路原理图。

请参见图3，本发明提供的具有低纹波的四开关升降压变换器包括输入源V_in、第一滤波电感L₁、第一滤波电容C₁、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第二滤波电感L₂、第三开关管S₃、第四开关管S₄、第二滤波电容C₂、第三滤波电感L₃和负载R_o，其中，输入源V_in的正极连于第一滤波电感L₁的一端(同名端)、第一滤波电感L₁的另一端(非同名端)分别连于第一滤波电容C₁的一端和第一开关管S₁的漏极，第一开关管S₁的源极分别连于第二开关管S₂的漏极和第二滤波电感L₂的一端，第二滤波电感L₂的另一端分别连于第三开关管S₃的源极和第四开关管S₄的漏极，第三开关管S₃的漏极分别连于第二滤波电容C₂的一端和第三滤波电感L₃的一端(非同名端)，第三滤波电感L₃的另一端(同名端)连于负载R_o的一端，负载R_o的另一端分别连于第二滤波电容C₂的另一端、第四开关管S₄的源极、第二开关管S₂的源极、第一滤波电容C₁的另一端和输入源V_in的负极。

本发明提供的具有低纹波的四开关升降压变换器，所述第一滤波电感L₁与第三滤波电感L₃优选为耦合电感，两者共用磁芯且反向耦合，减少了磁芯的数量，减小了变换器的体积和重量，提高了变换器的功率密度；同时，输入、输出滤波电感反向耦合，使得直流磁通相互抵消，降低了滤波电感的损耗，从而提高磁芯利用率和变换器效率。

本发明提供的具有低纹波的四开关升降压变换器的控制过程如下：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保持直通而第二开关管S₂保持关断；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保持直通而第四开关管S₄保持关断。

下面结合图4～6详细说明本发明提供的具有低纹波的四开关升降压变换器及其控制过程。

根据输入、输出电压大小关系，变换器可以有升压和降压两种工作模式。开关管S₁、S₄的占空比分别记为d₁、d₂，输出电压记为V_o，则在电感电流连续的情况下，变换器工作进入稳态时输入、输出电压关系为：

$V_o=\frac{d_1{V}_{\mathrm{in}}}{1-d_2}---\left(1\right)$

当V_in<V_o时，变换器工作在升压模式，此时，S₃、S₄处于开关状态，S₁一直导通，S₂一直关断，其等效电路如图4(a)所示；当V_in>V_o时，变换器工作在降压模式，此时，S₁、S₂处于开关状态，S₄一直关断，S₃一直导通，其等效电路如图4(b)所示。

下面详细分析在两种工作模式下变换器的工作模态。电感L₁、L₂、L₃的电流分别记为i_L1、i_L2、i_L3。假设所有电感、电容和开关管都为理想器件，耦合电感L₁=L₃，两者反向耦合且耦合系数为1。

在升压和降压模式，变换器均有两种开关模态。

(1)升压模式

工作模态1，如图5(a)所示：S₄开通，S₃关断，i_L1、i_L2、i_L3满足：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{\mathrm{in}}-V_{c1}}{L_1}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{L2}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{c1}}{L_2}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{L3}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{c2}-V_o}{L_3}\end{array}\right.---\left(2\right)$

工作模态2，如图5(b)所示：S₄关断，S₃导通，i_L1、i_L2、i_L3满足：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{\mathrm{in}}-V_{c1}}{L_1}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{L2}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{c1}-V_{c2}}{L_2}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{L3}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{c2}-V_o}{L_3}\end{array}\right.---\left(3\right)$

耦合电感L₁=L₃，两者反向耦合且耦合系数为1，则有v_in-v_c1=v_o-v_c2。由电感伏秒平衡原理整理式(2～3)，可以得到输入、输出电压关系：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_o=\frac{V_{\mathrm{in}}}{1-d_2}\\ V_{c1}=V_{\mathrm{in}}\\ V_{c2}=V_o\end{array}\right.---\left(4\right)$

(2)降压模式

工作模态1，如图6(a)所示：S₁开通，S₂关断，i_L1、i_L2满足：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{\mathrm{in}}-V_{c1}}{L_1}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{L2}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{c1}-V_{c2}}{L_2}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{L3}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{c2}-V_o}{L_3}\end{array}\right.---\left(5\right)$

工作模态2，如图6(b)所示：S₁关断，S₂导通，i_L1、i_L2满足：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{\mathrm{in}}-V_{c1}}{L_1}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{L2}}{\mathrm{dt}}=\frac{-V_{c2}}{L_2}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{L3}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{c2}-V_o}{L_3}\end{array}\right.---\left(6\right)$

耦合电感L₁=L₃，两者反向耦合且耦合系数为1，则有v_in-v_c1=v_o-v_c2。由电感伏秒平衡原理，整理式(5～6)，可以得到输入、输出电压关系：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_o=d_1{V}_{\mathrm{in}}\\ V_{c1}=V_{\mathrm{in}}\\ V_{c2}=V_o\end{array}\right.---\left(7\right)$

由于d₁和d₂可以在0～1之间任意变化，因此调节S₁和S₄的占空比就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。同时，变换器输入、输出电流连续，适用于对电流纹波要求较小的场合。

综上所述，本发明提供的具有低纹波四开关升降压直流变换器及其控制方法，所述输入源和输出之间为单级功率变换且保证电流连续，从而提高变换效率，有效降低了直流变换器输入输出端的纹波，适用于对电流纹波要求较小的场合。具体优点如下：1)输入、输出电流均连续，可以满足光伏发电等低电流纹波应用场合需求；2)滤波电感体积小、重量轻、成本低，变换器功率密度高；3)可以实现宽范围升降压变换。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (6)

1.一种具有低纹波的四开关升降压变换器，其特征在于：包括输入源(V_in)、第一滤波电感(L₁)、第一滤波电容(C₁)、第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第二滤波电感(L₂)、第三开关管(S₃)、第四开关管(S₄)、第二滤波电容(C₂)、第三滤波电感(L₃)和负载(R_o)，所述输入源(V_in)的正极连于第一滤波电感(L₁)的一端，所述第一滤波电感(L₁)的另一端分别连于第一滤波电容(C₁)的一端和第一开关管(S₁)的漏极，所述第一开关管(S₁)的源极分别连于第二开关管(S₂)的漏极和第二滤波电感(L₂)的一端，所述第二滤波电感(L₂)的另一端分别连于第三开关管(S₃)的源极和第四开关管(S₄)的漏极，所述第三开关管(S₃)的漏极分别连于第二滤波电容(C₂)的一端和第三滤波电感(L₃)的一端，所述第三滤波电感(L₃)的另一端连于负载(R_o)的一端，所述负载(R_o)的另一端分别连于第二滤波电容(C₂)的另一端、第四开关管(S₄)的源极、第二开关管(S₂)的源极、第一滤波电容(C₁)的另一端和输入源(V_in)的负极。

2.如权利要求1所述的具有低纹波的四开关升降压变换器，其特征在于：所述第一滤波电感(L₁)与第三滤波电感(L₃)为耦合电感，两者共用磁芯且反向耦合。

3.如权利要求1所述的具有低纹波的四开关升降压变换器，其特征在于：所述第一滤波电感(L₁)的同名端和输入源(V_in)的正极相连，所述第三滤波电感(L₃)的同名端通过负载(R_o)和输入源(V_in)的负极相连。

4.一种如权利要求1所述的具有低纹波的四开关升降压变换器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

直流升压变换时，所述第三开关管(S₃)和第四开关管(S₄)工作在高频开关状态且互补导通，所述第一开关管(S₁)保持直通而第二开关管(S₂)保持关断；

直流降压变换时，所述第一开关管(S₁)和第二开关管(S₂)工作在高频开关状态且互补导通，所述第三开关管(S₃)保持直通而第四开关管(S₄)保持关断。

5.如权利要求4所述的具有低纹波的四开关升降压变换器的控制方法，其特征在于，直流升压变换时，所述输入源的输入电压V_in和直流输出电压V₀关系如下：

直流降压变换时，所述输入源的输入电压V_in和直流输出电压V₀关系如下：V_o＝d₁V_in；d₁为第一开关管(S1)的占空比，d₂为第四开关管(S4)的占空比。

6.如权利要求4所述的具有低纹波的四开关升降压变换器的控制方法，其特征在于，稳态工作时，所述输入源的输入电压V_in和直流输出电压V₀关系如下：

d₁为第一开关管(S1)的占空比，d₂为第四开关管(S4)的占空比。

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