CN103825457A - 一种准z源直流-直流升压变换器电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种准Z源直流-直流升压变换器电路，包括电压源，由第一电感、第二电感、第一电容、第二电容和二极管构成的准Z源阻抗网络，MOS管，第三电感，输出电容和负载。本发明所述的准Z源直流-直流升压变换器电路，以电压源，准Z源阻抗网络和MOS管依次串联构成升压电路；以第三电感，输出电容和负载构成输出电路。整个电路结构简单，只有一个MOS管，输入输出共地，具有较高的输出电压增益，且准Z源阻抗网络电容电压应力低，电路不存在启动冲击问题，MOS管开通瞬间，输出电容不会对MOS管造成瞬时电流冲击。

Description

一种准Z源直流-直流升压变换器电路

技术领域

本发明涉及电力电子电路技术领域，具体涉及一种准Z源直流-直流升压变换器电路。 

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，也不能满足并网电压的需求，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。近几年提出的准Z源DC-DC变换器是一种高增益DC-DC变换器，但该电路输入与输出不共地，因而不利于控制电路设计，且具有较高的准Z源阻抗网络电容电压应力，电路启动时也存在比较大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

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种准Z源直流-直流升压变换器电路。 

一种准Z源直流-直流升压变换器电路，包括电压源、准Z源阻抗网络、MOS管、第三电感、输出电容和负载。所述准Z源阻抗网络由第一电感、第二电感、第一电容、第二电容和二极管构成；所述电压源、准Z源阻抗网络和MOS管依次串联构成升压电路；第三电感、输出电容和负载构成输出电路。 

进一步地，上述准Z源直流-直流升压变换器电路的具体连接方式为：所述电压源的正极分别与第一电感的一端和第一电容的负极连接；所述二极管的阳极分别与第一电感的另一端和第二电容的负极连接；所述二极管的阴极分别与第一电容的正极和第二电感的一端连接；所述MOS管的漏极分别与第二电容的正极、第二电感的另一端和第三电感的一端连接；所述第三电感的另一端分别与输出电容的正极和负载的一端连接；所述电压源的负极分别与输出电容的负极、负载的另一端和MOS管的源极连接。 

与现有技术相比，本发明电路具有如下优点和技术效果：电压增益较高，输入输出共地，准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，且MOS管开通瞬间，输出电容不会对MOS管造成瞬时电流冲击。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是本发明具体实施方式中的一种准Z源直流-直流升压变换器电路。 

图2a、图2b分别是图1所示一种准Z源直流-直流升压变换器电路在其MOS管S导通和关断时从电压关系角度得到的等效电路图，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3a为本发明电路的增益曲线与基本升压电路的增益曲线的比较图，图中实线表示本发明电路的增益曲线，虚线表示基本升压电路 的增益曲线； 

图3b为图3a中本发明电路的增益曲线与基本升压电路的增益曲线在占空比d小于0.4内的比较图。 

图4为本发明电路的工作波形图。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。 

参考图1，本发明所述的一种准Z源直流-直流升压变换器电路，其包括电压源V_i，由第一电感L₁、第二电感L₂、第一电容C₁、第二电容C₂和二极管D构成的准Z源阻抗网络（如图1中虚线框所示），MOS管S，第三电感L₃，输出电容C_o和负载R_L。本发明所述一种准Z源直流-直流升压变换器电路，所述电压源V_i，准Z源阻抗网络和MOS管S依次串联构成升压电路；所述第三电感L₃，输出电容C_o和负载R_L构成输出电路。MOS管S导通时，所述电压源V_i与第一电容C₁串联对第二电感L₂充电储能；电压源V_i与第二电容C₂串联对第一电感L₁充电储能；同时，电压源V_i与第一电容C₁、第二电容C₂、第三电感L₃一起给输出电容C_o和负载R_L供电；MOS管S关断时，所述电压源V_i与第一电感L₁、第二电感L₂一起对第三电感L₃、输出电容C_o和负载R_L供电。整个电路结构简单，只有一个MOS管，输入与输出共地，具有较高的输出电压增益，准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，且MOS管开通瞬间，输出电容不会对MOS管造成瞬时电流冲击。 

本发明电路的具体连接如下：所述电压源V_i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；所述二极管D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；所述二极管D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MOS管S的漏极分别与第二电容C₂的正极、第二电感L₂的另一端和第三电感L₃的一端连接；所述第三电感L₃的另一端分别与输出电容C_o的正极和负载R_L的一端连接；所述电压源V_i的负极分别与输出电容C_o的负极、负载R_L的另一端和MOS管S的源极连接。 

图2a、图2b给出了本发明电路的工作过程图。图2a、图2b分别是MOS管S导通和关断时从电压关系角度得到的等效电路图。 

本发明的工作过程如下： 

阶段1，如图2a：MOS管S导通，此时二极管D处于关断状态。电路形成了三个回路，分别是：电压源V_i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_i与第一电容C₁一起对第二电感L₂进行充电储能，形成回路；电压源V_i与第一电容C₁、第二电容C₂、第三电感L₃一起对输出电容C_o和负载R_L供电，形成回路。 

阶段2，如图2b：MOS管S关断，此时二极管D导通，电路形成了三个回路，分别是：电压源V_i与第一电感L₁、第二电感L₂一起对第三电感L₃、输出电容C_o和负载R_L供电，形成回路；第一电感L₁与第一电容C₁并联，形成回路；第二电感L₂与第二电容C₂并联，形成回路。 

综上情况，设MOS管S的占空比为d，开关周期为T_s。由于准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，因此设定v_L和V_C分别为准Z源阻抗网络电感电压和电容电压，v_L3为第三电感L₃电压,V_S为MOS管S漏极与源极之间的电压。在一个开关周期T_s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，对应阶段1所述的工作情形，因此有如下公式： 

v_L1＝v_L＝V_i+V_C2＝V_i+V_C  （1） 

v_L2＝v_L＝V_i+V_C1＝V_i+V_C  （2） 

v_L3＝-V_o  （3） 

MOS管S导通时间为dT_s。 

MOS管S关断期间，对应阶段2所述的工作情形，因此有如下公式： 

v_L1＝v_L＝-V_C1＝-V_C  （4） 

v_L2＝v_L＝-V_C2＝-V_C  （5） 

V_S＝V_i+v_L+V_C＝V_i+2V_C   （6） 

v_L3＝V_S-V_o＝V_i+2V_C-V_o   （7） 

MOS管S关断时间为（1-d）T_s。 

由以上分析，根据准Z源阻抗网络的对称性和电感伏秒数守恒原理，联立式（1）、（2）、（4）和（5），可得： 

(V_i+V_C)dT_s+(-V_C)(1-d)T_s＝0   （6） 

因此，可得到准Z源阻抗网络的电容电压V_C与电压源V_i的关系表达式为： 

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

由式（3）和（7），并对第三电感L₃应用电感伏秒数守恒原理，可得： 

(-V_o)dT_s+(V_i+2V_C-V_o)(1-d)T_s＝0  （8） 

又由式（7），可得该发明电路的增益表达式为： 

$G=\frac{V_o}{V_i}=\frac{1-d}{1-2d}---\left(9\right)$

如图3a所示为本发明电路的增益曲线和基本升压电路的增益曲线的比较图；图3b为图3a中本发明电路增益曲线与基本升压电路的增益曲线在占空比d小于0.4内的比较图，图中实线表示本发明电路的增益曲线，虚线表示基本升压电路的增益曲线。由图可知，本发明电路在占空比d不超过0.5的情况下，增益G就可以达到很大，而且本发明电路在MOS管占空比不会超过0.5，因而，相比之下，本发明电路的增益是非常高的。 

由式（7）和式（9）可得本发明电路准Z源阻抗网络的电容电压V_C与电压源V_i和输出电压V_o的关系式为： 

V_C＝V_o-V_i   （10） 

由式（10）可以看出，本发明电路准Z源阻抗网络的电容电压V_C的最大值不超过输出电压V_o与电压源V_i的差值，因而使得本发明电路准Z源阻抗网络的电容电压应力变低。如图4所示为本发明电路工作时的主要波形图，图中V_g为MOS管的驱动，i_L1、i_L2和i_L3分别 为第一电感L₁、第二电感L₂和第三电感L₃的电流。 

另外，由于本发明电路本身拓扑结构的特点，当其启动时，准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；同理，由于第三电感L₃的存在，所以当MOS管开通瞬间，输出电容不会对MOS管造成瞬时电流冲击。 

综上所述，本发明电路不仅具有较高的电压增益，输入输出共地，且准Z源阻抗网络电容电压应力低，不存在启动冲击回路，且MOS管开通瞬间，输出电容不会对MOS管造成瞬时电流冲击。 

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)

1.一种准Z源直流-直流升压变换器电路，其特征在于包括电压源（V_i）、准Z源阻抗网络、MOS管（S）、第三电感（L₃）、输出电容（C_o）和负载（R_L）；所述准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）和二极管（D）构成；所述电压源（V_i）、准Z源阻抗网络和MOS管（S）依次串联构成升压电路；所述第三电感（L₃）、输出电容（C_o）和负载（R_L）构成输出电路。

2.根据权利要求1所述的一种准Z源直流-直流升压变换器电路，其特征在于所述电压源（V_i）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；所述二极管（D）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；所述二极管（D）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MOS管（S）的漏极分别与第二电容（C₂）的正极、第二电感（L₂）的另一端和第三电感（L₃）的一端连接；所述第三电感（L₃）的另一端分别与输出电容（C_o）的正极和负载（R_L）的一端连接；所述电压源（V_i）的负极分别与输出电容（C_o）的负极、负载（R_L）的另一端和MOS管（S）的源极连接。

3.根据权利要求1所述的一种准Z源直流-直流升压变换器电路，其特征在于当MOS管（S）导通时，所述电压源（V_i）与第一电容（C₁）一起对第二电感（L₂）充电储能；电压源（V_i）与第二电容（C₂）一起对第一电感（L₁）充电储能；同时，电压源（V_i）与第一电容（C₁）、第二电容（C₂）、第三电感（L₃）一起给输出电容（C_o）和负载（R_L）供电；当MOS管（S）关断时，所述二极管（D）导通，第一电感（L₁）与第一电容（C₁）并联，形成回路；第二电感（L₂）与第二电容（C₂）并联，形成回路；同时，电压源（V_i）与第一电感（L₁）、第二电感（L₂）一起给第三电感（L₃）、输出电容（C_o）和负载（R_L）供电，形成回路。

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