CN104702116A - 有源耦合电感网络升压变换器 - Google Patents

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Abstract

有源耦合电感网络升压变换器，涉及电力电子变换器领域。本发明是为了解决现有的采用耦合电感有源网络结构的boost升压变换器的变换器件数量多、升压倍数小，并且转换效率低、功率密度大和主功率开关管电压应力低的问题。本发明所述的X型有源耦合电感网络输入端接直流电压源，X型有源耦合电感网络输出端连接二极管和滤波电容，在X型有源耦合电感网络中间插入无源无损钳位电路。它可用于新能源发电、燃料电池等场合。

Description

有源耦合电感网络升压变换器
技术领域
本发明涉及有源耦合电感网络升压变换器。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在户外，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
本发明是为了解决现有的采用耦合电感有源网络结构的boost升压变换器存在变换器件数量多、升压倍数小，并且转换效率低、功率密度大和主功率开关管电压应力低的问题。现提供有源耦合电感网络升压变换。
有源耦合电感网络升压变换器，它包括X型有源耦合电感网络、无源无损钳位电路、滤波电容Co、整流二极管Do和电阻R，
所述X型有源耦合电感网络包括直流电压源Vin、第一耦合电感原边LP1、第一耦合电感副边LS1、第二耦合电感原边LP2、第二耦合电感副边LS2、第一功率开关管S1和第二功率开关管S2，
无源无损钳位电路包括钳位二极管Dc和钳位电容Cc，
所述直流电压源Vin的正极同时连接第一功率开关管S1的阳极和第一耦合电感原边LP1的同名端，第一耦合电感原边LP1的异名端同时连接第二功率开关管S2的阳极和钳位二极管Dc的阳极，钳位二极管Dc的阴极同时连接钳位电容Cc的一端和第一耦合电感副边LS1的同名端，第一耦合电感副边LS1的异名端连接整流二极管Do的阳极，整流二极管Do的阴极同时连接滤波电容Co的一端和电阻R的一端，滤波电容Co的另一端同时连接电阻R的另一端和第二耦合电感副边LS2的同名端，第二耦合电感副边LS2的异名端同时连接第二耦合电感原边LP2的同名端和第一功率开关管S1的阴极，第二耦合电感原边LP2的异名端同时连接直流电压源Vin的负极和第二功率开关管S2的阴极。
本发明的有益效果为：本发明采用X型有源耦合电感网络输入端接直流电压源，X型有源耦合电感网络输出端连接二极管和滤波电容，该变换器的器件数量少，采用第一耦合电感原边LP1、第一耦合电感副边LS1、第二耦合电感原边LP2和第二耦合电感副边LS2这种双耦合电感结构使得升压能力强，升压倍数大，并且能够承受大电流；另外，由于两个耦合电感集成在一个磁芯上，且工作模态相同，因此变换器的体积小，损耗小，所以转换效率高，并且，主功率开关管的电压应力小，所以转换效率会进一步提高。
从图6至图9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，这可以有效的提高转换效率。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的有源耦合电感网络升压变换器的原理图；
图2为有源耦合电感网络升压变换器的模态图，图中，LP1为第一耦合电感原边，LP2为第二耦合电感原边，为第一耦合电感副边电流，为第二耦合电感副边电流，为钳位二极管电流，钳位二极管电压，VCc为钳位电容电压，iCc为钳位电容电流，Vgs为有源耦合电感网络升压变换器控制信号电压；
图3为有源耦合电感网络升压变换器第一种开关模态的等效电路图；
图4为有源耦合电感网络升压变换器第二种开关模态的等效电路图；
图5为有源耦合电感网络升压变换器第三种开关模态的等效电路图；
图6为输入电压Vin＝20V，输出电压Vo＝200V，第一功率开关管的漏极和源极电压差Vds1的纵坐标为50伏/单元格，输出二极管阴极和阳极电压差VDo的纵坐标为500伏/单元格，第一耦合电感原边电流的纵坐标为6安/单元格，横坐标均为时间，单位为10毫秒/单元格的实验波形；
图7为输入电压Vin＝20V，输出电压Vo＝200V，第一功率开关管的漏极和源极电压差Vds1的纵坐标为50伏/单元格，输出二极管阴极和阳极电压差VDo的纵坐标为500伏/单元格，第一耦合电感原边电流的纵坐标为4安/单元格，横坐标均为时间，单位为10毫秒/单元格的实验波形；
图8为输入电压Vin＝20V，输出电压Vo＝200V，钳位电容两端电压的纵坐标为50伏/单元格，横坐标均为时间，单位为10毫秒/单元格的实验波形；
图9为输入电压Vin＝20V，输出电压Vo＝200V，第一功率开关管的漏极和源极电压差Vds1的纵坐标为50伏/单元格，第一耦合电感原边电压的纵坐标为100伏/单元格，第一耦合电感原边电流的纵坐标为6伏/单元格，横坐标均为时间，单位为10毫秒/单元格的实验波形。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的有源耦合电感网络升压变换器，它包括X型有源耦合电感网络、无源无损钳位电路、滤波电容Co、整流二极管Do和电阻R，
所述X型有源耦合电感网络包括直流电压源Vin、第一耦合电感原边LP1、第一耦合电感副边LS1、第二耦合电感原边LP2、第二耦合电感副边LS2、第一功率开关管S1和第二功率开关管S2，
无源无损钳位电路包括钳位二极管Dc和钳位电容Cc，
所述直流电压源Vin的正极同时连接第一功率开关管S1的阳极和第一耦合电感原边LP1的同名端，第一耦合电感原边LP1的异名端同时连接第二功率开关管S2的阳极和钳位二极管Dc的阳极，钳位二极管Dc的阴极同时连接钳位电容的一端Cc和第一耦合电感副边LS1的同名端，第一耦合电感副边LS1的异名端连接整流二极管Do的阳极，整流二极管Do的阴极同时连接滤波电容Co的一端和电阻R的一端，滤波电容Co的另一端同时连接电阻R的另一端和第二耦合电感副边LS2的同名端，第二耦合电感副边LS2的异名端同时连接第二耦合电感原边LP2的同名端和第一功率开关管S1的阴极，第二耦合电感原边LP2的异名端同时连接直流电压源Vin的负极和第二功率开关管S2的阴极。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的有源耦合电感网络升压变换器作进一步说明，本实施方式中，第一功率开关管S1和第二功率开关管S2均为MOS管或者IGBT管。
具体实施方式三：参照图2至图5具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的有源耦合电感网络升压变换器作进一步说明，本实施方式中，第一耦合电感和第二耦合电感的工作模态相同，第一耦合电感和第二耦合电感集成在一个磁芯上。
本发明的工作原理及工作过程如下：
本发明有源耦合电感网络升压变换器控制信号电压Vgs；第一耦合电感原边电流和第二耦合电感原边电流第一耦合电感副边电流第二耦合电感副边电流和输出二极管电流iDo；钳位二极管电压VDc；钳位电容电压VCc和电流iCc的波形如图2所示，其工作过程分为3个开关模态，分别为第一种开关模态至第三种开关模态，电阻R为负载，具体描述如下：
第一种开关模态，对应图2中的[t0,t1]：等效电路如图3所示，t0时刻开通第一功率开关管S1和第二功率开关管S2，第一耦合电感原边LP1和第二耦合电感原边LP2分别线性充电；滤波电容Co给电阻R供电。
第二种开关模态，对应图2中的[t1,t2]：等效电路如图4所示，t1时刻关断第一功率开关管S1和第二功率开关管S2，钳位二极管Dc开通，第一耦合电感原边LP1和第二耦合电感原边LP2电流流向钳位电容，整流二极管Do开通，第一耦合电感副边LS1和第二耦合电感副边LS2电流线性上升。
第三种开关模态，对应图2中的[t2,t3]：等效电路如图5所示，钳位电容Cc、第一耦合电感原边电流一起流过第一耦合电感副边LS1，给滤波电容Co充电，并且给电阻R供电。
由上述分析可得增益表达式为：
M CCM = D ( 2 N + 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)。

Claims (3)

1.有源耦合电感网络升压变换器，其特征在于，它包括X型有源耦合电感网络、无源无损钳位电路、滤波电容Co、整流二极管Do和电阻R，
所述X型有源耦合电感网络包括直流电压源Vin、第一耦合电感原边LP1、第一耦合电感副边LS1、第二耦合电感原边LP2、第二耦合电感副边LS2、第一功率开关管S1和第二功率开关管S2，
无源无损钳位电路包括钳位二极管Dc和钳位电容Cc，
所述直流电压源Vin的正极同时连接第一功率开关管S1的阳极和第一耦合电感原边LP1的同名端，第一耦合电感原边LP1的异名端同时连接第二功率开关管S2的阳极和钳位二极管Dc的阳极，钳位二极管Dc的阴极同时连接钳位电容Cc的一端和第一耦合电感副边LS1的同名端，第一耦合电感副边LS1的异名端连接整流二极管Do的阳极，整流二极管Do的阴极同时连接滤波电容Co的一端和电阻R的一端，滤波电容Co的另一端同时连接电阻R的另一端和第二耦合电感副边LS2的同名端，第二耦合电感副边LS2的异名端同时连接第二耦合电感原边LP2的同名端和第一功率开关管S1的阴极，第二耦合电感原边LP2的异名端同时连接直流电压源Vin的负极和第二功率开关管S2的阴极。
2.根据权利要求1所述的有源耦合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均为MOS管或者IGBT管。
3.根据权利要求1所述的有源耦合电感网络升压变换器，其特征在于，第一耦合电感和第二耦合电感的工作模态相同，第一耦合电感和第二耦合电感集成在一个磁芯上。
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