CN103683920A - 开关电感有源网络升压变换器 - Google Patents

开关电感有源网络升压变换器 Download PDF

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CN103683920A CN201310667019.7A CN201310667019A CN103683920A CN 103683920 A CN103683920 A CN 103683920A CN 201310667019 A CN201310667019 A CN 201310667019A CN 103683920 A CN103683920 A CN 103683920A
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汤雨
王挺
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本发明涉及一种开关电感有源网络升压变换器，属于电力电子变换器的技术领域。开关电感有源网络升压变换器包括X型有源网络和两个开关电感单元。X型有源网络包括两组串联的电感和功率开关管，两个功率开关管呈X型放置。开关电感单元包括两组串联的电感和功率二极管以及一个跨接在两个桥臂中点的功率二极管，开关电感单元用以替换X型有源网络中的电感。开关电感有源网络升压变换器体积小但转换效率高，且主功率开关管电压应力小。

Description

开关电感有源网络升压变换器
技术领域
本发明涉及一种开关电感有源网络升压变换器，属于电力电子变换器技术领域。
背景技术
升压变换器广泛应用于工业领域，如燃料电池、新能源发电、电机驱动器等场合。传统的升压变换器电路拓扑为Boost电路，在输入电压较低，需要得到较高输出电压的应用场合，如单个光伏电池模块，常用的光伏并网结构是将多个光伏电池模块串/并联，形成串式/多串式结构，再将整个光伏阵列并入电网。然而，在实际工作中，由于光伏电池长期工作在户外，不可避免的会沾染到灰尘等污垢，还会受到树木、建筑物等的遮挡，形成局部阴影，使得各个光伏电池工作特性不一致，这将会引发热斑效应，造成光伏电池的不可逆损坏。而受到占空比不能过大的限制，Boost电路难以将单体的光伏电池升压到较高的母线电压。采用耦合电感Boost变换器通过选择合适的电感匝比能够提升输出电压，但受到不可避免的漏感的影响，开关管在关断时会有很大的电压尖峰，必须外加额外的缓冲吸收电路，增加整体结构的复杂性，并且降低变换效率。开关电感Boost变换器输出升压能力有限，且功率器件电压应力大。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种开关电感有源网络升压变换器。
 本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种开关电感有源网络升压变换器，包括：X型有源网络和用于替换有源网络中电感的开关电感单元，所述X型有源网络输入端接直流电压源，输出端连接功率二极管和滤波电容的串联电路。 
所述开关电感单元包括：第三电感                                                
Figure 2013106670197100002DEST_PATH_IMAGE001
、第四电感
Figure 2013106670197100002DEST_PATH_IMAGE002
、第五电感
Figure 2013106670197100002DEST_PATH_IMAGE003
、第六电感
Figure 2013106670197100002DEST_PATH_IMAGE004
、第一功率二极管
Figure 2013106670197100002DEST_PATH_IMAGE005
、第二功率二极管
Figure 2013106670197100002DEST_PATH_IMAGE006
、第三功率二极管、第四功率二极管
Figure 2013106670197100002DEST_PATH_IMAGE008
、第五功率二极管、第六功率二极管
Figure 2013106670197100002DEST_PATH_IMAGE010
；其中：第一功率二极管
Figure 380931DEST_PATH_IMAGE005
的阳极、第三电感的一端相连，第三电感
Figure 461068DEST_PATH_IMAGE001
的另一端与第二功率二极管的阳极相连接，第二功率二极管的阴极与第四电感
Figure 153584DEST_PATH_IMAGE002
的一端相连，第四电感
Figure 34821DEST_PATH_IMAGE002
的另一端连接第一功率二极管
Figure 686382DEST_PATH_IMAGE005
的阴极，第三功率二极管
Figure 669381DEST_PATH_IMAGE007
的阳极连接第一功率二极管的阳极，第三功率二极管
Figure 740947DEST_PATH_IMAGE007
的阴极连接第二功率二极管的阴极，第四功率二极管
Figure 220656DEST_PATH_IMAGE008
的阳极、第五电感的一端相连，第五电感的另一端与第五功率开关管
Figure 206432DEST_PATH_IMAGE009
的阳极连接，第五功率二极管
Figure 147713DEST_PATH_IMAGE009
的阴极与第六电感
Figure 822407DEST_PATH_IMAGE004
的一端相连，第六电感
Figure 345793DEST_PATH_IMAGE004
的另一端连接第四功率二极管
Figure 959658DEST_PATH_IMAGE008
的阴极相连，第六功率二极管
Figure 873387DEST_PATH_IMAGE010
的阳极、第四功率二极管
Figure 601041DEST_PATH_IMAGE008
的阳极相连，第六功率二极管的阴极、第五功率二极管的阴极相连。
所述第一功率开关管
Figure 2013106670197100002DEST_PATH_IMAGE011
、第二功率开关管
Figure 2013106670197100002DEST_PATH_IMAGE012
为MOS管或者IGBT管。
本发明的有益效果如下：
变换器体积小但转换效率高，且主功率开关管电压应力低。
附图说明
图1为开关电感有源网络升压变换器的电路图。
 图2至图7为开关电感有源网络升压变换器在输入电压
Figure 2013106670197100002DEST_PATH_IMAGE013
=40V, 功率开关管
Figure 495550DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 574365DEST_PATH_IMAGE012
占空比=0.5，负载
Figure 2013106670197100002DEST_PATH_IMAGE015
=100Ω时的实验波形。
其中图2为第一、第二功率开关管
Figure 386856DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 830607DEST_PATH_IMAGE012
承受的电压；图3为输出滤波电容的电压；图4为第三电感
Figure 2013106670197100002DEST_PATH_IMAGE016
的电流；图5为第四电感
Figure 233776DEST_PATH_IMAGE002
的电流；图6为第五电感
Figure 2013106670197100002DEST_PATH_IMAGE017
的电流；图7为第六电感
Figure 240915DEST_PATH_IMAGE004
的电流。
图中标号说明：
Figure 531082DEST_PATH_IMAGE013
为直流电压源；
Figure 657651DEST_PATH_IMAGE016
为第三电感，
Figure 95586DEST_PATH_IMAGE002
为第四电感，
Figure 453886DEST_PATH_IMAGE005
为第一功率二极管，
Figure 113406DEST_PATH_IMAGE006
为第二功率二极管，
Figure 898960DEST_PATH_IMAGE007
为第三功率二极管，由此组成的开关电感单元用于替换X型有源网络中的第一电感；同理，第五电感，第六电感
Figure 173132DEST_PATH_IMAGE004
，第四功率二极管
Figure 500208DEST_PATH_IMAGE008
，第五功率二极管
Figure 971510DEST_PATH_IMAGE009
，第六功率二极管
Figure 321719DEST_PATH_IMAGE010
构成的另一组开关电感单元用于替换X型有源网络中的第二电感；
Figure 274019DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 393285DEST_PATH_IMAGE012
为第一、第二功率开关管，为输出功率二极管，
Figure 2013106670197100002DEST_PATH_IMAGE018
为输出滤波电容，
Figure 872994DEST_PATH_IMAGE015
为负载，
Figure 2013106670197100002DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 2013106670197100002DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 2013106670197100002DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 2013106670197100002DEST_PATH_IMAGE022
分别为第三电感
Figure 688372DEST_PATH_IMAGE016
、第四电感、第五电感
Figure 534636DEST_PATH_IMAGE017
、第六电感
Figure 859438DEST_PATH_IMAGE004
中流过的电流。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
如图1所示的开关电感有源网络升压变换器，包括X型有源网络和开关电感单元。X型有源网络输入端接直流电压源，开关电感单元用于替换X型有源网络中的第一电感
Figure 2013106670197100002DEST_PATH_IMAGE023
、第二电感。
X型有源网络包括：直流电压源、第一电感
Figure 431419DEST_PATH_IMAGE023
、第二电感
Figure 166157DEST_PATH_IMAGE024
、第一功率开关管
Figure 961944DEST_PATH_IMAGE011
、第二功率开关管
Figure 73119DEST_PATH_IMAGE012
；其中：第一功率开关管
Figure 273681DEST_PATH_IMAGE011
的阳极、第一电感
Figure 241637DEST_PATH_IMAGE023
的一端分别与直流电压源
Figure 275452DEST_PATH_IMAGE013
的正极连接，第一电感
Figure 908427DEST_PATH_IMAGE023
的另一端与第二功率开关管
Figure 976878DEST_PATH_IMAGE012
的阳极连接，第二功率开关管
Figure 115735DEST_PATH_IMAGE012
的阴极、第二电感
Figure 886114DEST_PATH_IMAGE024
的一端分别与直流电压源
Figure 73513DEST_PATH_IMAGE013
的负极连接，第二电感
Figure 245737DEST_PATH_IMAGE024
的另一端与第一功率开关管
Figure 493178DEST_PATH_IMAGE011
的阴极连接。
用于替换第一电感的开关电感单元中第一功率二极管
Figure 563903DEST_PATH_IMAGE005
的阳极、第三电感
Figure 824768DEST_PATH_IMAGE001
的一端相连，第三电感的另一端与第二功率二极管
Figure 269842DEST_PATH_IMAGE006
的阳极连接，第二功率二极管
Figure 499966DEST_PATH_IMAGE006
的阴极与第四电感的一端相连，第四电感的另一端连接，第一功率二极管
Figure 827545DEST_PATH_IMAGE005
的阴极，第三功率二极管的阳极、第一功率二极管
Figure 455021DEST_PATH_IMAGE005
的阳极相连，第三功率二极管
Figure 941497DEST_PATH_IMAGE007
的阴极、第二功率二极管
Figure 219419DEST_PATH_IMAGE006
的阴极相连。
用于替换第二电感的开关电感单元中开关电感单元中第四功率二极管
Figure 424136DEST_PATH_IMAGE008
的阳极、第五电感
Figure 544407DEST_PATH_IMAGE003
的一端相连，第五电感
Figure 150969DEST_PATH_IMAGE003
的另一端与第五功率开关管
Figure 596863DEST_PATH_IMAGE009
的阳极连接，第五功率二极管
Figure 23296DEST_PATH_IMAGE009
的阴极与第六电感
Figure 25887DEST_PATH_IMAGE004
的一端相连，第六电感
Figure 736223DEST_PATH_IMAGE004
的另一端连接第四功率二极管
Figure 838171DEST_PATH_IMAGE008
的阴极相连。第六功率二极管
Figure 263818DEST_PATH_IMAGE010
的阳极、第四功率二极管
Figure 804521DEST_PATH_IMAGE008
的阳极相连，第六功率二极管
Figure 120095DEST_PATH_IMAGE010
的阴极、第五功率二极管
Figure 907792DEST_PATH_IMAGE009
的阴极相连。
滤波电容
Figure 308817DEST_PATH_IMAGE018
即为变换器的输出端，负载
Figure 840162DEST_PATH_IMAGE015
并接在变换器的输出端。
图2至图7为输入电压
Figure 2013106670197100002DEST_PATH_IMAGE025
=40V, 功率开关管
Figure 2013106670197100002DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure DEST_PATH_IMAGE027
占空比=0.5，负载
Figure DEST_PATH_IMAGE029
=100Ω时功率开关管电压
Figure 2013106670197100002DEST_PATH_IMAGE030
、第三电感电流
Figure DEST_PATH_IMAGE031
、第四电感电流
Figure 2013106670197100002DEST_PATH_IMAGE032
、第五电感电流
Figure DEST_PATH_IMAGE033
、第六电感电流
Figure 2013106670197100002DEST_PATH_IMAGE034
、输出滤波电容电压的波形。从图中可以看到功率开关管关断时电压
Figure 777287DEST_PATH_IMAGE030
=120V，说明功率开关管电压应力小。第三、第四、第五、第六电感电流
Figure 470305DEST_PATH_IMAGE031
、
Figure 624206DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 690732DEST_PATH_IMAGE033
、的波形为幅值在3.2A至4.5A之间波动的三角波，可见电感电流波形波动小且电感电流值小，进而可以选择电感值小且体积小的电感，且各个电感电流大小相同，可以耦合在一个磁芯上进一步减小了升压变换器的体积。输出滤波电容电压(即输出电压)为200V，可见变换器由较大的电压增益。
可见，本发明所述升降压变换器具有较小的主功率开关管电压应力和较大的电压增益，同时在保证高转换率的前提下减小了变换器体积。

Claims (2)

1.一种开关电感有源网络升压变换器，其特征在于包括： X型有源网络和用于替换有源网络中电感的开关电感单元，所述X型有源网络输入端接直流电压源，输出端连接功率二极管和滤波电容的串联电路。
2.根据权利要求1所述的开关电感有源网络升压变换器，其特征在于所述开关电感单元包括：第三电感                                                
Figure 722215DEST_PATH_IMAGE001
、第四电感
Figure 97833DEST_PATH_IMAGE002
、第五电感
Figure 970979DEST_PATH_IMAGE003
、第六电感
Figure 115653DEST_PATH_IMAGE004
、第一功率二极管
Figure 229102DEST_PATH_IMAGE005
、第二功率二极管
Figure 341284DEST_PATH_IMAGE006
、第三功率二极管
Figure 503275DEST_PATH_IMAGE007
、第四功率二极管
Figure 37810DEST_PATH_IMAGE008
、第五功率二极管、第六功率二极管
Figure 406791DEST_PATH_IMAGE010
；其中：第一功率二极管
Figure 621741DEST_PATH_IMAGE005
的阳极、第三电感
Figure 803323DEST_PATH_IMAGE001
的一端相连，第三电感的另一端与第二功率二极管的阳极相连接，第二功率二极管
Figure 786826DEST_PATH_IMAGE006
的阴极与第四电感
Figure 822915DEST_PATH_IMAGE002
的一端相连，第四电感
Figure 636019DEST_PATH_IMAGE002
的另一端连接第一功率二极管
Figure 695242DEST_PATH_IMAGE005
的阴极，第三功率二极管
Figure 65043DEST_PATH_IMAGE007
的阳极连接第一功率二极管
Figure 411098DEST_PATH_IMAGE005
的阳极，第三功率二极管
Figure 145836DEST_PATH_IMAGE007
的阴极连接第二功率二极管
Figure 941623DEST_PATH_IMAGE006
的阴极，第四功率二极管
Figure 849536DEST_PATH_IMAGE008
的阳极、第五电感
Figure 797900DEST_PATH_IMAGE003
的一端相连，第五电感
Figure 952807DEST_PATH_IMAGE003
的另一端与第五功率开关管
Figure 986622DEST_PATH_IMAGE009
的阳极连接，第五功率二极管
Figure 698226DEST_PATH_IMAGE009
的阴极与第六电感
Figure 15944DEST_PATH_IMAGE004
的一端相连，第六电感
Figure 92484DEST_PATH_IMAGE004
的另一端连接第四功率二极管
Figure 594354DEST_PATH_IMAGE008
的阴极相连，第六功率二极管
Figure 109649DEST_PATH_IMAGE010
的阳极、第四功率二极管的阳极相连，第六功率二极管
Figure 529315DEST_PATH_IMAGE010
的阴极、第五功率二极管的阴极相连。
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