CN104702105A - 似有源开关电感网络升压变换器 - Google Patents

Abstract

似有源开关电感网络升压变换器，属于电力电子变换器领域。解决了采用耦合电感有源网络结构的boost升压变换器进行提升电压时，由于器件数量太多，降低了系统的稳定性和由于电路容易发生大范围的谐振，降低了变换器效率的问题。它包括X型似有源开关电感网络和两套钳位电路，X型似有源开关电感网络输入端接直流电压源V_in，X型似有源开关电感网络输出端连接功率二极管和滤波电容的串联电路；X型似有源开关电感网络包括：两个耦合电感、第一功率开关管和第二功率开关管，且两个耦合电感分别定义为第一耦合电感和第二耦合电感；两套钳位电路包括：第一钳位电容、第一钳位二极管、第二钳位电容、第二钳位二极管。它主要应用在电压变换领域。

Description

似有源开关电感网络升压变换器

技术领域

本发明属于电力电子变换器领域。

背景技术

升压变换器被广泛应用于工业领域，比如新能源发电、燃料电池等场合。传统的升压变换器拓扑为boost电路，boost电路经常被用在输入电压比较低，输出电压比较高的场合，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通过串并联，然后将整个光伏阵列并入电网。然而，在实际的运行中，由于光伏电池长期工作的户外，不可避免的会沾染到灰尘等污垢，而且还会受到树木、建筑物等的遮挡，形成局部阴影，使得各个光伏电池的工作特性不一致，这会引起热斑效应，造成光伏电池的不可逆损坏。但是由于寄生参数的影响，导致占空比不能过大，一般极限升压比大约为5倍，因此boost电路难以将单个光伏电池电压提升到所需要的母线电压水平。采用耦合电感有源网络结构的boost升压变换器可以提升电压，但是由于器件数量太多，降低了系统的稳定性，增加了成本，而且电路容易发生大范围的谐振，降低了变换器的效率。

发明内容

本发明是为了解决采用耦合电感有源网络结构的boost升压变换器进行提升电压时，由于器件数量太多，降低了系统的稳定性和由于电路容易发生大范围的谐振，降低了变换器效率的问题，本发明提供了一种似有源开关电感网络升压变换器。

似有源开关电感网络升压变换器，它包括X型似有源开关电感网络和两套钳位电路，

X型似有源开关电感网络输入端接直流电压源V_in，

X型似有源开关电感网络两个输出端之间连接功率二极管D_o和滤波电容C_o的串联电路；

X型似有源开关电感网络包括：两个耦合电感、第一功率开关管S₁和第二功率开关管S₂，且两个耦合电感分别定义为第一耦合电感和第二耦合电感；

两套钳位电路包括：第一钳位电容C_c1、第一钳位二极管D_c1、第二钳位电容C_c2、第二钳位二极管D_c2；

其中，第二功率开关管S₂的输入端、第一钳位电容C_c1的一端、第一耦合电感原边L_P1的同名端同时与直流电压源V_in的正极连接，

第一钳位电容C_c1的另一端同时与第一耦合电感副边L_S1的同名端、第一钳位二极管D_c1的阴极连接；

第一耦合电感原边L_P1的异名端同时连接第一钳位二极管D_c1的阳极与第一功率开关管S₁的输入端；

第二钳位电容C_c2的一端、第一功率开关管S₁的输出端和第二耦合电感原边L_P2的异名端同时与直流电压源V_in的负极连接，

第二功率开关管S₂的输出端同时连接第二耦合电感原边L_P2的同名端和第二钳位二极管D_c2的阴极，

第二钳位电容C_c2的另一端同时连接第二钳位二极管D_c2的阳极和第二耦合电感副边L_S2的异名端，

第一耦合电感副边L_S1的异名端作为X型似有源开关电感网络的一个输出端与功率二极管D_o的阳极连接，功率二极管D_o的阴极与滤波电容C_o的一端连接，滤波电容C_o的另一端与第二耦合电感副边L_S2的同名端连接，

第二耦合电感副边L_S2的同名端作为X型似有源开关电感网络的第二个输出端。

第一功率开关管S₁和第二功率开关管S₂为MOS管或者IGBT管。

第一耦合电感原边L_P1与第一耦合电感副边L_S1的匝数比为1：N；

第二耦合电感原边L_P2与第二耦合电感副边L_S2的匝数比为1：N。

两个耦合电感的工作模态相同。

两个耦合电感集成在一个磁芯上。

本发明带来的有益效果是，变换器器件数量少，升压倍数大，转换效率高，功率密度大，且主功率开关管电压应力低。

附图说明

图1为本发明所述的似有源开关电感网络升压变换器的原理示意图；C_S1为第一寄生电容，C_S2为第二寄生电容；

图2为本发明所述的似有源开关电感网络升压变换器的模态图；

图3为似有源开关电感网络升压变换器在开关模态1时的等效电路图；

图4为似有源开关电感网络升压变换器在开关模态2时的等效电路图；

图5为似有源开关电感网络升压变换器在开关模态3时的等效电路图；

图6为似有源开关电感网络升压变换器在开关模态4时的等效电路图；

图7为似有源开关电感网络升压变换器在开关模态5时的等效电路图；

图8为似有源开关电感网络升压变换器在开关模态6时的等效电路图；

图9至图12为当输入电压V_in＝20V，输出电压V_o＝200V时实验波形。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1至图12说明本实施方式，本实施方式所述的似有源开关电感网络升压变换器，它包括X型似有源开关电感网络和两套钳位电路，

X型似有源开关电感网络输入端接直流电压源V_in，

X型似有源开关电感网络两个输出端之间连接功率二极管D_o和滤波电容C_o的串联电路；

X型似有源开关电感网络包括：两个耦合电感、第一功率开关管S₁和第二功率开关管S₂，且两个耦合电感分别定义为第一耦合电感和第二耦合电感；

两套钳位电路包括：第一钳位电容C_c1、第一钳位二极管D_c1、第二钳位电容C_c2、第二钳位二极管D_c2；

其中，第二功率开关管S₂的输入端、第一钳位电容C_c1的一端、第一耦合电感原边L_P1的同名端同时与直流电压源V_in的正极连接，

第一钳位电容C_c1的另一端同时与第一耦合电感副边L_S1的同名端、第一钳位二极管D_c1的阴极连接；

第一耦合电感原边L_P1的异名端同时连接第一钳位二极管D_c1的阳极与第一功率开关管S₁的输入端；

第二钳位电容C_c2的一端、第一功率开关管S₁的输出端和第二耦合电感原边L_P2的异名端同时与直流电压源V_in的负极连接，

第二功率开关管S₂的输出端同时连接第二耦合电感原边L_P2的同名端和第二钳位二极管D_c2的阴极，

第二钳位电容C_c2的另一端同时连接第二钳位二极管D_c2的阳极和第二耦合电感副边L_S2的异名端，

第一耦合电感副边L_S1的异名端作为X型似有源开关电感网络的一个输出端与功率二极管D_o的阳极连接，功率二极管D_o的阴极与滤波电容C_o的一端连接，滤波电容C_o的另一端与第二耦合电感副边L_S2的同名端连接，

第二耦合电感副边L_S2的同名端作为X型似有源开关电感网络的第二个输出端。

本实施方式，X型似有源开关电感网络和钳位电路，所述X型似有源开关电感网络输入端接直流电压源，输出端接串联连接的功率二极管D_o和滤波电容C_o，中间插入钳位电路。

滤波电容C_o作为似有源开关电感网络升压变换器的输出端，负载R并接在变换器的输出端，本发明的工作原理及工作过程如下：

本发明似有源开关电感网络升压变换器控制信号电压V_gs、第一耦合电感漏感电流第二耦合电感漏感电流第一耦合电感副边电流第二耦合电感副边电流功率二极管电流i_Do，第一、第二钳位二极管电流分别为i_Dc1、i_Dc2，第一钳位电容电流i_Cc1、第二钳位电容电流i_Cc2，第一、第二功率开关管电流分别为i_S1、i_S2、第一、第二功率开关管电压分别为V_S1、V_S2的波形如图2所示，其工作过程分为6个开关模态，分别为开关模态1至开关模态6，具体描述如下：

开关模态1，对应图2中的[t₀,t₁]：等效电路如图3所示，t₀时刻开通S₁和S₂，第一耦合电感漏感和第二耦合电感漏感电流上升；第一钳位电容电流、第二钳位电容电流、第一耦合电感副边电流和第二耦合电感副边电流i_Cc1、i_Cc2、i_S1、i_S2下降，t₁时刻，下降到零。

开关模态2，对应图2中的[t₁,t₂]：等效电路如图4所示，t₁时刻功率二极管关断，第一耦合电感漏感电流、第二耦合电感漏感电流线性上升。滤波电容通过负载放电。

开关模态3，对应图2中的[t₂,t₃]：等效电路如图5所示，t₂时刻，关断S₁和S₂，第一寄生电容C_S1、第二寄生电容C_S2分别充电。滤波电容通过负载放电。

开关模态4，对应图2中的[t₃,t₄]：等效电路如图6所示，t₃时刻，D_c1和D_c2导通，和分别为C_c1和C_c2充电，D_o导通，和i_Do上升。

开关模态5对应图2中的[t₄,t₅]：等效电路如图7所示，t₄时刻，分别C_c1和C_c2开始放电，t₅时刻，i_Cc1和i_Cc2下降到零，D_c1和D_c2自然关断。

开关模态6对应图2中的[t₅,t₆]：等效电路如图8所示，V_in、L_S1、L_P2、L_S2、C_c1和C_c2共同给负载R和滤波电容C_o供电。

由上述分析可得增益表达式为：

$M_{\mathrm{CCM}}=\frac{D(2N+1)+1}{1-D}$

其中，D为第一功率开关管和第二功率开关管的导通占空比，N为第一耦合电感副边与第一耦合电感原边的匝数比(或者说第二耦合电感副边与第二耦合电感原边的匝数比)。

下面通过具体实施例的数据说明采用本发明结构的有益效果：

如图9至图12所示，输入电压V_in＝20V，输出电压V_o＝200V，图中V_in为输入电压,V_o为输出电压，V_ds为第一功率开关管的漏极和源极电压差，V_Do为输出二极管阴极和阳极电压差，为第一钳位二极管阴极和阳极电压差，为第一耦合电感副边电流,为第一钳位电容两端电压，为第一钳位二极管电流，为第一钳位电容电流。

在此坐标系统中，横坐标均为10微秒/单元格，V_ds的纵坐标为100伏/单元格，V_Do的纵坐标为200伏/单元格，的纵坐标为50伏/单元格，V_o的纵坐标为200伏/单元格，V_in的纵坐标为20伏/单元格，的纵坐标为20伏/单元格，的纵坐标为5安/单元格，的纵坐标为10安/单元格，的纵坐标为10安/单元格。

从图9至图12中可以看出，变换器的第一功率开关管两端电压波形没有过大的尖峰，第一、第二钳位二极管自然关断，这可以有效的提高效率。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的似有源开关电感网络升压变换器的区别在于，第一功率开关管S₁和第二功率开关管S₂为MOS管或者IGBT管。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一所述的似有源开关电感网络升压变换器的区别在于，第一耦合电感原边L_P1、第一耦合电感副边L_S1的匝数比为1：N；

第二耦合电感原边L_P2、第二耦合电感副边L_S2的匝数比为1：N。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三所述的似有源开关电感网络升压变换器的区别在于，两个耦合电感的工作模态相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四所述的似有源开关电感网络升压变换器的区别在于，两个耦合电感集成在一个磁芯上。

本实施方式中，第一耦合电感原边与第一耦合电感副边的匝数比为1：N第二耦合电感原边与第二耦合电感副边的匝数比也为1：N，并且，由于两个耦合电感的工作模态相同，两个耦合电感可以集成在一个磁芯上。

Claims (5)

1.似有源开关电感网络升压变换器，其特征在于，它包括X型似有源开关电感网络和两套钳位电路，

X型似有源开关电感网络输入端接直流电压源V_in，

X型似有源开关电感网络两个输出端之间连接功率二极管D_o和滤波电容C_o的串联电路；

X型似有源开关电感网络包括：两个耦合电感、第一功率开关管S₁和第二功率开关管S₂，且两个耦合电感分别定义为第一耦合电感和第二耦合电感；

两套钳位电路包括：第一钳位电容C_c1、第一钳位二极管D_c1、第二钳位电容C_c2、第二钳位二极管D_c2；

其中，第二功率开关管S₂的输入端、第一钳位电容C_c1的一端、第一耦合电感原边L_P1的同名端同时与直流电压源V_in的正极连接，

第一钳位电容C_c1的另一端同时与第一耦合电感副边L_S1的同名端、第一钳位二极管D_c1的阴极连接；

第一耦合电感原边L_P1的异名端同时连接第一钳位二极管D_c1的阳极与第一功率开关管S₁的输入端；

第二钳位电容C_c2的一端、第一功率开关管S₁的输出端和第二耦合电感原边L_P2的异名端同时与直流电压源V_in的负极连接，

第二功率开关管S₂的输出端同时连接第二耦合电感原边L_P2的同名端和第二钳位二极管D_c2的阴极，

第二钳位电容C_c2的另一端同时连接第二钳位二极管D_c2的阳极和第二耦合电感副边L_S2的异名端，

第一耦合电感副边L_S1的异名端作为X型似有源开关电感网络的一个输出端与功率二极管D_o的阳极连接，功率二极管D_o的阴极与滤波电容C_o的一端连接，滤波电容C_o的另一端与第二耦合电感副边L_S2的同名端连接，

第二耦合电感副边L_S2的同名端作为X型似有源开关电感网络的第二个输出端。

2.根据权利要求1所述的似有源开关电感网络升压变换器，其特征在于，第一功率开关管S₁和第二功率开关管S₂为MOS管或者IGBT管。

3.根据权利要求1所述的似有源开关电感网络升压变换器，其特征在于，第一耦合电感原边L_P1与第一耦合电感副边L_S1的匝数比为1：N；

第二耦合电感原边L_P2与第二耦合电感副边L_S2的匝数比为1：N。

4.根据权利要求3所述的似有源开关电感网络升压变换器，其特征在于，两个耦合电感的工作模态相同。

5.根据权利要求4所述的似有源开关电感网络升压变换器，其特征在于，两个耦合电感集成在一个磁芯上。