CN103633839A - 一种改进型z源升压dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进型Z源升压DC-DC变换器，包括电压源、Z源阻抗网络、MOS管、第二二极管、输出滤波电容和负载；所述Z源阻抗网络由第一电感、第二电感、第一电容、第二电容和第一二极管构成，所述电压源V_s、Z源阻抗网络及MOS管构成升压电路，第二二极管、输出滤波电容和负载构成输出电路。本发明整个电路结构简单，具有较高的输出电压增益，且Z源阻抗网络电容电压应力低，电路不存在启动冲击问题。

Description

一种改进型Z源升压DC-DC变换器

技术领域

本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种改进型Z源升压DC-DC变换器。

背景技术

在燃料电池发电、光伏发电中，由于单个太阳能电池或者单个燃料电池提供的直流电压较低，无法满足现有用电设备的用电需求，也不能满足并网的需求，往往需要将多个电池串联起来达到所需的电压。这种方法一方面大大降低了整个系统的可靠性，另一方面还需解决串联均压问题。为此，需要能够把低电压转换为高电压的高增益DC-DC变换器。近几年提出的Z源升压DC-DC变换器是一种高增益DC-DC变换器，但该电路具有较高的Z源阻抗网络电容电压应力，且电路启动时存在很大的启动冲击电流和电压，限制了该电路在实际中的应用。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供了一种改进型Z源升压DC-DC变换器。

本发明采用如下技术方案：

一种改进型Z源升压DC-DC变换器，包括电压源V_s，Z源阻抗网络、MOS管S、第二二极管D₂、输出滤波电容C_o和负载R_L；所述电压源V_s、Ｚ源阻抗网络及MOS管S构成升压电路，所述第二二极管D₂、输出滤波电容C_o和负载R_L构成输出电路。

所述Z源阻抗网络由第一电感L₁、第二电感L₂、第一电容C₁、第二电容C₂和第一二极管D₂构成；

所述电压源V_s的正极分别与第一电感L₁的一端和第一电容C₁的负极连接，所述第一二极管D₁的阳极分别与第一电感L₁的另一端和第二电容C₂的负极连接；所述第一二极管D₁的阴极分别与第一电容C₁的正极和第二电感L₂的一端连接，所述第二电感L₂的另一端分别与第二电容C₂的正极、MOS管S的漏极和第二二极管D₂的阳极连接，所述第二二极管D₂的阴极分别与输出滤波电容C_o的正极和负载R_L的一端连接，所述负载R_L的另一端分别与输出滤波电容C_o的负极、MOS管S的源极和电压源V_s的负极连接。

所述第一电容C₁、第二电容C₂和输出滤波电容C_o均为电解电容。

MOS管导通时，电压源与第一电容串联对第二电感充电储能；同时电压源与第二电容串联对第一电感充电储能；输出滤波电容对负载供电；MOS管关断时，电压源与第一电感和第二电感一起对输出滤波电容和负载供电，完成升压功能。

本发明的有益效果：

本发明电压增益较高，Z源阻抗网络的电容电压应力低，对启动冲击电流和电压具有很好的抑制作用；

本发明电路适用于输入电压变化宽的场合，如燃料电池发电和光伏发电等新能源发电技术领域。

附图说明

图1是本发明一种改进型Z源升压DC-DC变换器电路图；

图2（a）～图2（b）分别是图1中所示电路在其MOS管S导通和关断时的等效电路图，图中实线表示变换器中有电流流过的部分，虚线表示变换器中无电流流过的部分；

图3（a）～图3（e）是本发明电路工作时的波形图，其中图3（a）是MOS管的驱动波形图，图3（b）是输入电压源的波形图，图3（c）是Z源阻抗网络中第一电感和第二电感的电流波形图，图3（d）是输出电压的波形图，图3（e）是Z源阻抗网络中第一电容和第二电容的电压波形图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，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。

实施例

如图1所示，一种改进型Z源升压DC-DC变换器，包括电压源V_s，Z源阻抗网络、MOS管S、第二二极管D₂、输出滤波电容C_o和负载R_L；所述电压源V_s、Ｚ源阻抗网络及MOS管S构成升压电路，所述第二二极管D₂、输出滤波电容C_o和负载R_L构成输出电路。

所述Z源阻抗网络由第一电感L₁、第二电感L₂、第一电容C₁、第二电容C₂和第一二极管D₁构成；

电路的具体连接方式为：

所述电压源V_s的正极分别与第一电感L₁的一端和第一电容C₁的负极连接，所述第一二极管D₁的阳极分别与第一电感L₁的另一端和第二电容C₂的负极连接；所述第一二极管D₁的阴极分别与第一电容C₁的正极和第二电感L₂的一端连接，所述第二电感L₂的另一端分别与第二电容C₂的正极、MOS管S的漏极和第二二极管D₂的阳极连接，所述第二二极管D₂的阴极分别与输出滤波电容C_o的正极和负载R_L的一端连接，所述负载R_L的另一端分别与输出滤波电容C_o的负极、MOS管S的源极和电压源V_s的负极连接。

所述第一电容C₁、第二电容C₂和输出滤波电容C_o均为电解电容。

MOS管S导通时，电压源V_s与第一电容C₁串联对第二电感L₂充电储能，同时电压源V_s与第二电容C₂串联对第一电感L₁充电储能；输出滤波电容C_o对负载R_L供电；MOS管S关断时，电压源V_s与第一电感L₁和第二电感L₂一起对输出滤波电容C_o和负载R_L供电，完成升压功能。整个电路结构简单，具有较高的输出电压增益，且Z源阻抗网络中的电容电压应力低，电路不存在启动冲击问题。

本发明的具体工作过程：

阶段1，如图2（a）所示：MOS管S导通，此时第一二极管D₁和第二二极管D₂处于关断状态。电路形成了三个回路，分别是：电压源V_s与第二电容C₂一起对第一电感L₁进行充电储能，形成回路；电压源V_s与第一电容C₁一起对第二电感L₂进行充电储能，形成回路；输出滤波电容C_o对负载R_L供电，形成回路。

阶段2，如图2（b）所示：MOS管S关断，此时第一二极管D₁和第二二极管D₂均导通。电路形成了三个回路，分别是：电压源V_s与第一电感L₁和第二电感L₂一起对输出滤波电容C_o和负载R_L供电，形成升压回路；第一电感L₁对第一电容C₁充电，形成回路；第二电感L₂对第二电容C₂充电，形成回路。

综上情况，假定MOS管S的占空比为D，开关周期为T_s。由于Z源阻抗网络的对称性，即第一电感L₁与第二电感L₂的电感量相等，第一电容C₁与第二电容C₂的电容值相等。因此，有v_L1=v_L2=v_L，V_C1=V_C2=V_C。v_L1、v_L2、V_C1和V_C2分别是第一电感L₁、第二电感L₂、第一电容C₁和第二电容C₂的电压，从而设定v_L和V_C分别为Z源阻抗网络的电感电压和电容电压。

在一个开关周期内，令输出电压为V_o，当变换器进入稳态工作后，得出以下的电压关系推导过程。

MOS管S导通期间，电压源V_s与第一电感L₁和第二电容C₂串联，由于电压源V_s的极性与第二电容C₂的电压极性保持一致，因此有公式：

v_L1=v_L=V_s+V_C2=V_s+V_C    （1）

同时，电压源V_s与第二电感L₂和第一电容C₁串联，同样由于电压源V_s的极性与第一电容C₁的电压极性保持一致，因此有公式：

v_L2=v_L=V_s+V_C1=V_s+V_C    （2）

MOS管S在一个开关周期T_s内的导通时间为DT_s。

MOS管S关断期间，第一二极管D₁导通，第一电感L₁与第一电容C₁并联，因此有公式：

v_L1=v_L=-V_C1=-V_C    （3）

同时，第二电感L₂与第二电容C₂并联，因此有公式：

v_L2=v_L=-V_C2=-V_C    （4）

电压源V_s与第一电感L₁、第二电感L₂和输出电路部分串联，因此有公式：

V_o=V_s-v_L1-v_L2=V_s-2v_L=V_s+2V_C    （5）

MOS管S在一个开关周期T_s内的关断时间为（1-D）T_s。

由以上分析，根据Z源阻抗网络的对称性和电感伏秒数守恒原理，联立式（1）～（4），可得：

(V_s+V_C)DT_s+(-V_C)(1-D)T_s=0    （6）

因此，可得到Z源阻抗网络的电容电压V_C与电压源V_s的关系表达式为：

$V_C=\frac{D}{1-2D}{V}_s---\left(7\right)$

又由公式（5），可得该电路的增益因子表达式为：

$G=\frac{V_o}{V_s}=\frac{1}{1-2D}---\left(8\right)$

由式（7）和式（8）可得本电路Z源阻抗网络的电容电压V_C与输出电压V_o的关系式为：

V_C=DV_o    （9）

由于本发明电路工作时的占空比D不超过0.5，因此由式（9）可以看出，本发明电路Z源阻抗网络中的电容电压V_C的最大值不超过0.5倍的输出电压V_o值，因而本发明电路Z源阻抗网络中的电容电压应力较低。如图3（a）为MOS管S的驱动V_g波形图；图3（b）为电压源V_s的波形图；图3（c）为Z源阻抗网络中第一电感L₁和第二电感L₂的电流i_L波形图；图3（d）为输出电压V_o的波形图；图3（e）为Z源阻抗网络中第一电容C₁和第二电容C₂的电压V_C波形图。

另外，由于本发明电路本身拓扑结构的特点，当其启动时，Z源阻抗网络中的第一电感L₁和第二电感L₂对启动冲击电流有抑制作用，有利于变换器的软启动，减少了对器件的冲击损害。

综上所述，本发明电路不仅具有较高的电压增益，且Z源阻抗网络中电容电压应力低，不存在启动冲击回路。

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 (3)

1.一种改进型Z源升压DC-DC变换器，包括电压源（V_s），其特征在于，还包括Z源阻抗网络、MOS管（S）、第二二极管（D₂）、输出滤波电容（C_o）和负载（R_L）；所述Z源阻抗网络由第一电感（L₁）、第二电感（L₂）、第一电容（C₁）、第二电容（C₂）和第一二极管（D₁）构成；

所述电压源（V_s）的正极分别与第一电感（L₁）的一端和第一电容（C₁）的负极连接，所述第一二极管（D₁）的阳极分别与第一电感（L₁）的另一端和第二电容（C₂）的负极连接；所述第一二极管（D₁）的阴极分别与第一电容（C₁）的正极和第二电感（L₂）的一端连接，所述第二电感（L₂）的另一端分别与第二电容（C₂）的正极、MOS管（S）的漏极和第二二极管（D₂）的阳极连接，所述第二二极管（D₂）的阴极分别与输出滤波电容（C_o）的正极和负载（R_L）的一端连接，所述负载（R_L）的另一端分别与输出滤波电容（C_o）的负极、MOS管（S）的源极和电压源（V_s）的负极连接。

2.根据权利要求1所述的一种改进型Z源升压DC-DC变换器，其特征在于，所述电压源（V_s）、Z源阻抗网络及MOS管（S）构成升压电路，第二二极管（D₂）、输出滤波电容（C_o）和负载（R_L）构成输出电路。

3.根据权利要求1所述的一种改进型Z源升压DC-DC变换器，其特征在于，所述第一电容（C₁）、第二电容（C₂）和输出滤波电容（C_o）均为电解电容。

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