CN103633840B - 一种单开关高增益升压dc/dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单开关高增益升压DC/DC变换器，包括直流输入电源、第一电感、第一二极管、第二二极管、第二电感、第一电容、开关管、第三二极管、第二电容、第三电感、第三电容、第四二极管、输出电容；直流输入电源分别接第一电感、第一电容、开关管、第三电容、输出电容、负载；第一电感分别接第一二极管和第二二极管；第二电感分别接第一二极管、开关管、第三二极管、第二电容、第二二极管、第一电容；第二电容分别接第三电感和第四二极管；第三二极管分别接第三电感和第三电容；第四二极管分别接输出电容和负载。本发明相比于传统的单开关DC/DC变换器具有高的稳态电压增益，适用于将新能源发电系统中的低直流压升至高的直流电压。

Description

一种单开关高增益升压DC/DC变换器

技术领域

本发明涉及DC/DC变换器的技术领域，尤其是指一种单开关高增益升压DC/DC变换器。

背景技术

近年来，新能源得到了广泛的研究和应用，在新能源发电系统中的太阳能电池、燃料电池和超级电容输出一般为24V/48V直流电，为了能够实现新能源发电系统与并网系统电气连接，需要DC/DC变换器将低直流电压升至高直流电压后再逆变成市电。而目前广泛的传统单开关DC/DC变换器，如BOOST、二次型BOOST变换器的稳态电压增益为1/(1-D)和1/(1-D)²(D为占空比)。当输入电压较低时，需要很高的占空比才能实现高压输出，然而当占空比增大时，开关管等功率半导体器件的电流有效值增大，这对功率半导体器件的电流应力要求高，并且占空比增大，增加开关管的导通损耗，降低变换器的效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构合理可靠、性能优越、效率高的单开关高增益升压DC/DC变换器。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种单开关高增益升压DC/DC变换器，包括有直流输入电源、第一电感、第一二极管、第二二极管、第二电感、第一电容、开关管、第三二极管、第二电容、第三电感、第三电容、第四二极管、输出电容；其中，所述直流输入电源的一端与第一电感的一端连接，其另一端分别与第一电容的一端、开关管的源极、第三电容的一端、输出电容的一端、负载的一端连接；所述第一电感的另一端分别与第一二极管的阳极和第二二极管的阳极连接；所述第二电感的一端分别与第一二极管的阴极、开关管的漏极、第三二极管的阳极、第二电容的一端连接，其另一端分别与第二二极管的阴极和第一电容的另一端连接；所述第二电容的另一端分别与第三电感的一端和第四二极管的阳极连接；所述第三二极管的阴极分别与第三电感的另一端和第三电容的另一端连接；所述第四二极管的阴极分别与输出电容的另一端和负载的另一端连接；所述输出电容和负载并联。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、相比于传统的单开关DC/DC变换器具有高的稳态电压增益，适用于将新能源发电系统中的低直流压升至高的直流电压，实现新能源发电系统和并网系统的电气连接，具有广泛的应用前景和很高的推广价值；

2、工作效率高，且功率开关管的电压应力低于输出电压。

附图说明

图1为本发明的电路原理图。

图2为一个开关周期主要元件的电压电流波形图。

图3a为一个开关周期内电路模态图之一。

图3b为一个开关周期内电路模态图之二。

图4为本发明与传统BOOST和二次型BOOST变换器的稳态电压增益对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

参见图1所示，本实施例所述的单开关高增益升压DC/DC变换器，包括有直流输入电源、第一电感L₁、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第二电感L₂、第一电容C₁、开关管S、第三二极管D₃、第二电容C₂、第三电感L₃、第三电容C₃、第四二极管D₄、输出电容C_out；其中，所述直流输入电源的一端与第一电感L₁的一端连接，其另一端分别与第一电容C₁的一端、开关管S的源极、第三电容C₃的一端、输出电容C_out的一端、负载的一端连接；所述第一电感L₁的另一端分别与第一二极管D₁的阳极和第二二极管D₂的阳极连接；所述第二电感L₂的一端分别与第一二极管D₁的阴极、开关管S的漏极、第三二极管D₃的阳极、第二电容C₂的一端连接，其另一端分别与第二二极管D₂的阴极和第一电容C₁的另一端连接；所述第二电容C₂的另一端分别与第三电感L₃的一端和第四二极管D₄的阳极连接；所述第三二极管D₃的阴极分别与第三电感L₃的另一端和第三电容C₃的另一端连接；所述第四二极管D₄的阴极分别与输出电容C_out的另一端和负载的另一端连接；所述输出电容C_out和负载并联。

参见图2所示，显示了所述开关管S的驱动信号V_g、第一电感L₁的电流I_L1、第二电感L₂的电流I_L2、第三电感L₃的电流I_L3、输出电压V_o、第一电容C₁的电压V_C1、第二电容C₂的电压V_C2、第三电容C₃的电压V_C3在一个开关周期的波形。

参见图3a和图3b所示，显示了本发明在一个开关周期内两个阶段的电路模态，其具体情况如下：

1)在t₀～t₁阶段，如图3a所示，开关管S的驱动电压V_g从低电平变为高电平，开关管S导通，第一二极管D₁承受正向电压导通，直流输入电压V_in通过第一二极管D₁和开关管S给第一电感L₁充电；第二二极管D₂承受反向电压截止，第一电容C₁则通过开关管S给第二电感L₂充电；第三二极管D₃承受反向电压截止，第三电容C₃则通过开关管S给第三电感L₃和第二电容C₂充电；第四二极管D₄承受反向电压截止，输出电容C_out给负载供电。

2)在t₁～t₂阶段，如图3b所示，开关管S的驱动电压V_g从高电平变为低电平，开关管S关断，第一二极管D₁承受反向电压截止，第二二极管D₂和第三二极管D₃承受正向电压导通，直流输入电压V_in和第一电感L₁一起给第一电容C₁充电；直流输入电压V_in、第一电感L₁和第二电感L₂给第三电容C₃充电；第四二极管D₄承受正向电压导通，直流输入电压V_in、第一电感L₁和第二电感L₂、第三电感L₃和第二电容C₂给输出电容C_out充电和负载供电。

以下为本实施例上述单开关高增益升压DC/DC变换器的稳态电压增益情况：

由于第一电感L₁的电压V_L1一个开关周期平均值为零，因此可得到如下式(1)，由式(1)得到输入电压V_in与第一电容C₁的电压V_C1关系式如下式(2)。

V_inD＝(V_C1-V_in)(1-D)(1)

$V_{C1}=\frac{1}{1-D}{V}_{in}---\left(2\right)$

由于第二电感L₂的电压V_L2一个开关周期平均值为零，因此可得到如下式(3)，由式(3)得到第三电容C₃的电压V_C3与第一电容C₁的电压V_C1关系式如下式(4)。

V_C1D＝(V_C3-V_C1)(1-D)(3)

$V_{C3}=\frac{1}{1-D}{V}_{C1}---\left(4\right)$

由于第三电感L₃的电压V_L3一个开关周期平均值为零，因此可得到如下式(5)，由式(5)得到第二电容C₂的电压V_C2与第三电容C₃的电压V_C3关系式如下式(6)。

(V_C3-V_C2)D＝V_C2(1-D)(5)

V_C2＝DV_C3(6)

由于输出电压V_o等于第二电容C₂的电压V_C2与第三电容C₃的电压V_C3相加，所以由式(2)、(4)和(6)得到直流输入电压V_in与输出电压V_o的关系式如下式(7)。

$V_o=V_{C2}+V_{C3}=\frac{(1+D)}{1-D}{V}_{C1}=\frac{(1+D)}{{(1-D)}^2}---\left(7\right)$

通常，传统的单开关DC/DC变换器，如BOOST、二次型BOOST变换器的稳态电压增益为1/(1-D)和1/(1-D)²(D为占空比)。参见图4所示，显示了本发明与传统BOOST和二次型BOOST变换器的稳态增益情况，从图中可知，在相同的占空比和输入电压的条件下，本发明的输出电压比传统BOOST和二次型BOOST变换器的输出电压高。因此，相比于传统的单开关DC/DC变换器，本发明具有高的稳态电压增益，适用于将新能源发电系统中的低直流压升至高的直流电压，实现新能源发电系统和并网系统的电气连接，具有广泛的应用前景和很高的推广价值。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种单开关高增益升压DC/DC变换器，其特征在于：包括有直流输入电源、第一电感(L₁)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第二电感(L₂)、第一电容(C₁)、开关管(S)、第三二极管(D₃)、第二电容(C₂)、第三电感(L₃)、第三电容(C₃)、第四二极管(D₄)、输出电容(C_out)；其中，所述直流输入电源的一端与第一电感(L₁)的一端连接，其另一端分别与第一电容(C₁)的一端、开关管(S)的源极、第三电容(C₃)的一端、输出电容(C_out)的一端、负载的一端连接；所述第一电感(L₁)的另一端分别与第一二极管(D₁)的阳极和第二二极管(D₂)的阳极连接；所述第二电感(L₂)的一端分别与第一二极管(D₁)的阴极、开关管(S)的漏极、第三二极管(D₃)的阳极、第二电容(C₂)的一端连接，其另一端分别与第二二极管(D₂)的阴极和第一电容(C₁)的另一端连接；所述第二电容(C₂)的另一端分别与第三电感(L₃)的一端和第四二极管(D₄)的阳极连接；所述第三二极管(D₃)的阴极分别与第三电感(L₃)的另一端和第三电容(C₃)的另一端连接；所述第四二极管(D₄)的阴极分别与输出电容(C_out)的另一端和负载的另一端连接；所述输出电容(C_out)和负载并联。