CN103944399A - 低输入电流纹波单开关高增益变换器 - Google Patents

低输入电流纹波单开关高增益变换器 Download PDF

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胡雪峰
王琳
章家岩
代国瑞
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Abstract

本发明公开了一种低输入电流纹波单开关高增益变换器，它包括直流输入源(Vin)，独立升压电感(L1)，可控的功率开关管(Q)，设有第一绕组(n1)和第二绕组(n2)的耦合电感，箝位二极管(D1)，箝位电容(C1)，第一单向整流二极管(D2)，第二单向整流二极管(D3)，倍压电容(C2)，储能电容(C3)和输出滤波电容(Co)。与传统Boost变换器相比，本发明的低输入电流纹波单开关高增益变换器不仅能够利用耦合电感来提高变换器的输出电压增益，还能降低功率开关管和二极管的峰值电压应力，并且具有输入电流纹波低的特点，变换器的整体转换效率也有所提高。

Description

低输入电流纹波单开关高增益变换器
技术领域
本发明涉及电力电子领域的直流-直流变换器，具体地说，涉及一种低输入电流纹波单开关高增益变换器。
背景技术
直流-直流升压变换器在在光伏或燃料电池并网发电系统中受到了越来越多的研究应用，对于光伏、燃料电池等新能源，输入电流纹波对其发电效率影响较大，因此，输入电流连续的低纹波、高升压增益变换器拓扑成为首选。常规的升压型变换器提出的是有限升压增益，开关管的电压应力较大，开关损耗较大，二极管的反向恢复电流较大，反向恢复损耗较大，这样会降低直流-直流升压变换器的转换效率。输入电流纹波大一定程度地缩短了低压输入电源(光伏、燃料电池等)的使用周期，为此，研究新型高性能且具有低输入纹波的高增益变换器，具有着重要的理论意义和应用价值。
关于具有高增益的单开关变换器的结构设计，现有技术中已有相关的技术方案公开，如：中国专利号201310423314.8，发明创造名称为：一种单开关高增益升压变换器，所述单开关高增益升压变换器包括普通Boost电路环节和储能电路环节；普通Boost升压电路环节包括直流电压源(Vg)、第一电感(L1)、第四二极管(D4)、第四电容(C4)和输出负载(RL)；储能电路环节包括第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第二电感(L2)和第三电感(L3)，该申请方案虽然提高了输入电压增益，但是输入电流纹波较大。
此外，对于中国专利号ZL201320524859.3，发明创造名称为：一种两绕组耦合电感倍压式单开关管高增益变换器，该技术方案的输入电流纹波较大。所以急需一种低输入电流纹波的单开关高增益变换器。
发明内容
1、发明要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种低输入电流纹波，低开关电压应力，功率开关管少，结构简单，成本较低，控制方便的单开关高增益变换器。
2、技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
低输入电流纹波单开关高增益变换器，包括直流输入源，独立升压电感，可控的功率开关管，设有第一绕组和第二绕组的耦合电感，箝位二极管，箝位电容，第一单向整流二极管，第二单向整流二极管，倍压电容，储能电容和输出滤波电容；
直流输入源的正、负极分别与独立升压电感的一端、功率开关管的源极相连，独立升压电感的另一端与耦合电感的第一绕组的同名端和箝位电容的一端相连，耦合电感的第一绕组的另一端与功率开关管的漏极和箝位二极管的阳极相连，箝位二极管的阴极与储能电容的一端和和箝位电容的另一端相连，箝位电容的另一端与耦合电感的第二绕组的同名端和第一单向整流二极管的阳极相连，耦合电感的第二绕组的另一端连接到倍压电容的一端，倍压电容的另一端与第一单向整流二极管的阴极和第二单向整流二极管的阳极相连，第二单向整流二极管的阴极与储能电容的另一端和输出滤波电容的一端相连，输出滤波电容另一端与直流输入源的负极相连，输出滤波电容两端接负载，输出滤波电容两端的电压即为输出电压。
本发明有三种工作模态：
工作模态1：功率开关管导通，箝位电容、倍压电容及储能电容均为充电模态；
工作模态2：功率开关管关断，箝位电容为充电模态，倍压电容和储能电容均为放电模态；
工作模态3:功率开关管关断，箝位电容、倍压电容及储能电容均为放电模态。在这三种模态下，实现变换器的运行。
3、有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
1、与传统Boost变换器相比，本发明不仅能够利用耦合电感来提高变换器的输出电压增益，还能降低功率开关管和二极管的峰值电压应力，并且具有输入电流纹波低的特点，变换器的整体转换效率也有所提高。
2、本发明具有高升压变比、低输入电流纹波、低开关电压应力，且结构简单，开关数量少的技术特点。
附图说明
图1是本发明的一种低输入电流纹波单开关高增益变换器的拓扑结构图；
图2是本发明的一种低输入电流纹波单开关高增益变换器的工作模态1的等效电路图；
图3是本发明的一种低输入电流纹波单开关高增益变换器的工作模态2的等效电路图；
图4是本发明的一种低输入电流纹波单开关高增益变换器的工作模态3的等效电路图。
图中的标号说明：
Vin：直流输入源；L1：独立升压电感；Q：可控的功率开关管；n1：耦合电感的第一绕组；n2：耦合电感的第二绕组；D1：箝位二极管；C1：箝位电容；D2：第一单向整流二极管；D3：第二单向整流二极管；C2：倍压电容；C3：储能电容；Co：输出滤波电容；R0：负载。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，低输入电流纹波单开关高增益变换器，包括直流输入源Vin，独立升压电感L1，可控的功率开关管Q，设有第一绕组n1和第二绕组n2的耦合电感，箝位二极管D1，箝位电容C1，第一单向整流二极管D2，第二单向整流二极管D3，倍压电容C2，储能电容C3和输出滤波电容Co；
直流输入源Vin的正、负极分别与独立升压电感L1的一端、功率开关管Q的源极相连，独立升压电感L1的另一端与耦合电感的第一绕组(n1)的同名端和箝位电容C1的一端相连，耦合电感的第一绕组n1的另一端与功率开关管Q的漏极和箝位二极管D1的阳极相连，箝位二极管D1的阴极与储能电容C3的一端和和箝位电容C1的另一端相连，箝位电容C1的另一端与耦合电感的第二绕组n2的同名端和第一单向整流二极管D2的阳极相连，耦合电感的第二绕组n2的另一端连接到倍压电容C2的一端，倍压电容C2的另一端与第一单向整流二极管D2的阴极和第二单向整流二极管D3的阳极相连，第二单向整流二极管D3的阴极与储能电容C3的另一端和输出滤波电容Co的一端相连，输出滤波电容Co另一端与直流输入源Vin的负极相连，输出滤波电容Co两端接负载R0，输出滤波电容Co两端的电压即为输出电压。
本发明的低输入电流纹波单开关高增益变换器，有三种工作模态，详细分析如下：
工作模态1：
如图2所示，功率开关管Q导通模态，箝位电容C1、倍压电容C2及储能电容C3均为充电模态。在此模态下，第一单向整流二极管D2导通，箝位二极管D1和第二单向整流二极管D3均关断。其中，直流输入源Vin、独立升压电感L1、耦合电感的第一绕组n1及功率开关管Q构成回路，直流输入源Vin向独立升压电感L1及耦合电感的第一绕组n1充电，流经独立升压电感L1及耦合电感漏感的电流近似线性上升；耦合电感的第二绕组n2、第一单向整流二极管D2及倍压电容C2构成倍压电路，耦合电感的第二绕组n2经由第一单向整流二极管D2向倍压电容C2充电，倍压电容C2均处于放电状态；输出滤波电容Co向箝位电容C1及储能电容C3充电，箝位电容C1和储能电容C3均处于充电状态。
工作模态2：
如图3所示，功率开关管Q关断模态，箝位电容C1为充电模态，倍压电容C2和储能电容C3均为放电模态。在此模态下，箝位二极管D1和单向整流二极管Do均导通，第一单向整流二极管D2关断。其中，耦合电感的第一绕组n1经箝位二极管D1续流并向耦合电感的第二绕组n2及箝位电容C1传递能量，箝位电容C1处于充电状态，耦合电感的第一绕组n1的两端电压箝位在–VC1(VC1是箝位电容C1两端的电压)，流经独立升压电感L1及耦合电感漏感的电流近似线性下降；直流输入源Vin、独立升压电感L1、耦合电感的第一绕组n1、箝位二极管D1、耦合电感的第二绕组n2、倍压电容C2、第二单向整流二极管D3和输出端负载构成回路，能量从倍压电容C2、储能电容C3和耦合电感中向负载转移，倍压电容C2和储能电容C3均处于放电状态。
工作模态3:
如图4所示，功率开关管Q关断模态，箝位电容C1、倍压电容C2及储能电容C3均为放电模态。在此模态下，箝位二极管D1及第一单向整流二极管D2均关断，单向整流二极管Do导通。由于耦合电感的作用，箝位二极管D1的电流转移到第二单向整流二极管D3，因此在功率开关管Q再次开通之前，箝位二极管D1已经自然关断；储存在耦合电感的第一绕组n1的能量已完全传输到耦合电感的第二绕组n2，致使流经耦合电感漏感的电流降为零；直流输入源Vin、独立升压电感L1、箝位电容C1、耦合电感的第二绕组n2、倍压电容C2、第二单向整流二极管D3和输出端负载构成回路，能量从箝位电容C1、倍压电容C2、储能电容C3和耦合电感中向负载转移，箝位电容C1、倍压电容C2、储能电容C3均处于放电状态。
本发明的低输入电流纹波单开关高增益变换器，在这三种模态下，完成能量的转换。

Claims (1)

1.低输入电流纹波单开关高增益变换器，其特征在于：包括直流输入源(Vin)，独立升压电感(L1)，可控的功率开关管(Q)，设有第一绕组(n1)和第二绕组(n2)的耦合电感，箝位二极管(D1)，箝位电容(C1)，第一单向整流二极管(D2)，第二单向整流二极管(D3)，倍压电容(C2)，储能电容(C3)和输出滤波电容(Co)；
所述直流输入源(Vin)的正、负极分别与独立升压电感(L1)的一端、功率开关管(Q)的源极相连，独立升压电感(L1)的另一端与耦合电感的第一绕组(n1)的同名端和箝位电容(C1)的一端相连，耦合电感的第一绕组(n1)的另一端与功率开关管(Q)的漏极和箝位二极管(D1)的阳极相连，箝位二极管(D1)的阴极与储能电容(C3)的一端和和箝位电容(C1)的另一端相连，箝位电容(C1)的另一端与耦合电感的第二绕组(n2)的同名端和第一单向整流二极管(D2)的阳极相连，耦合电感的第二绕组(n2)的另一端连接到倍压电容(C2)的一端，倍压电容(C2)的另一端与第一单向整流二极管(D2)的阴极和第二单向整流二极管(D3)的阳极相连，第二单向整流二极管(D3)的阴极与储能电容(C3)的另一端和输出滤波电容(Co)的一端相连，输出滤波电容(Co)另一端与直流输入源(Vin)的负极相连，输出滤波电容(Co)两端接负载(R0)。
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