CN105245096A - 一种高增益三绕组级联型升压变换器 - Google Patents

Abstract

一种高增益三绕组级联型升压变换器，属于电力电子变换器领域。为了解决传统的升压变换器电路拓扑难以实现高增益的问题。所述变换器包括直流电压源、前级BOOST电路、后级三绕组耦合电感BOOST电路和箝位-升压电路。前级BOOST电路由第一二二极管D₁、第二二极管D₂、输入电感L_in和第一输出电容C₁组成；后级三绕组耦合电感BOOST电路由第一耦合电感N₁、第二耦合电感N₂、第三耦合电感N₃、功率开关管S、整流二极管D_o和第二输出电容C_o组成；箝位-升压电路由箝位二极管D₃、升压二极管D₄、箝位电容C_c和升压电容C₂组成。本发明耦合电感绕组匝比越小，电压增益越高；级联特性使较小的占空比可以实现高的电压增益，且功率开关管的电压应力小。多应用于分布式电源系统中。

Description

一种高增益三绕组级联型升压变换器

技术领域

本发明属于电力电子变换器领域。

背景技术

升压变换器广泛应用于分布式电源系统的前级变换器，实现升压或者功率因数校正。传统的升压变换器电路拓扑为Boost电路，理论上Boost电路的电压增益随着占空比的增加而增加，然而考虑到实际电路中的寄生等效串联阻抗，Boost电路的实际增益并不总是随着占空比的增加而变大，因此其升压能力十分有限，并不适用于高增益直流功率变换场合。

级联型boost变换器可以进一步拓展增益，但是其器件的应力较大，而且受到寄生参数的影响，仍然难以实现高增益，而且仅仅由单一的占空比控制。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统的升压变换器电路拓扑难以实现高增益的问题，本发明提供一种高增益三绕组级联型升压变换器。

本发明的一种高增益三绕组级联型升压变换器，所述变换器包括直流电压源V_in、输入电感L_in、功率开关管S、整流二极管D_o、第一二二极管D₁、第二二极管D₂、第一输出电容C₁、箝位二极管D₃、升压二极管D₄、箝位电容C_c、升压电容C₂、第二输出电容C_o、第一耦合电感N₁、第二耦合电感N₂和第三耦合电感N₃；

直流电压源V_in的正极与输入电感L_in的一端连接，

直流电压源V_in的负极与第一输出电容C₁的一端、第二输出电容C_o的一端、功率开关管S的输出端和箝位电容C_c的一端同时连接；

输入电感L_in的另一端与第一二极管D₁的阳极和第二二极管D₂的阳极同时连接；

第一二极管D₁的阴极、第一输出电容C₁的另一端和第一耦合电感N₁的一端同时连接；

第一耦合电感N₁的另一端、第二耦合电感N₂的一端和第三耦合电感N₃的一端同时连接；

第二二极管D₂的阴极、第二耦合电感N₂的另一端、功率开关管S的输入端和箝位二极管D₃的阳极同时连接；

箝位二极管D₃的阴极、箝位电容C_c的另一端和升压二极管D₄的阳极同时连接；

第三耦合电感N₃的另一端与升压电容C₂的一端连接；

升压电容C₂的另一端、升压二极管D₄的阴极和整流二极管D_o的阳极同时连接；

整流二极管D_o阴极与第二输出电容C_o的另一端连接。

所述功率开关管S为MOS管或者IGBT管。

本发明的有益效果在于，本发明的高增益三绕组级联型升压变换器大大提升了电压增益：耦合电感绕组匝比越小，电压增益越高；级联特性使较小的占空比就可以实现高的电压增益，并且功率开关管的电压应力小。

附图说明

图1为具体实施方式中的一种高增益三绕组级联型升压变换器的原理示意图；

图2为具体实施方式中一种高增益三绕组级联型升压变换器的模态图；

图3a为具体实施方式中一种高增益三绕组级联型升压变换器开关模态1的等效电路图；

图3b为具体实施方式中一种高增益三绕组级联型升压变换器开关模态2的等效电路图；

图3c为具体实施方式中一种高增益三绕组级联型升压变换器开关模态3的等效电路图；

图3d为具体实施方式中一种高增益三绕组级联型升压变换器开关模态4的等效电路图；

图3e为具体实施方式中一种高增益三绕组级联型升压变换器开关模态5的等效电路图；

图4a至图4g为当输入电压V_in＝38V，输出电压V_o＝380V时，具体实施方式中各参数实验波形。

具体实施方式

结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种高增益三绕组级联型升压变换器包括直流电压源、前级BOOST电路、后级三绕组耦合电感BOOST电路和箝位-升压电路；前级BOOST电路由第一二二极管D₁、第二二极管D₂、输入电感L_in和第一输出电容C₁组成；后级三绕组耦合电感BOOST电路由第一耦合电感N₁、第二耦合电感N₂、第三耦合电感N₃、功率开关管S、整流二极管D_o和第二输出电容C_o组成；箝位-升压电路由箝位二极管D₃、升压二极管D₄、箝位电容C_c和升压电容C₂组成。

本实施方式的工作原理及工作过程如下：

本实施方式的高增益三绕组级联型升压变换器控制电压V_gs、输入电流第一耦合电感漏感电流第二耦合电感电流第三耦合电感电流输出二极管电流i_Do，箝位二极管电流i_D3、升压二极管电流i_D4、第一二极管电流i_D2、第二二极管电流i_D1、功率开关管电流i_S的波形如图2所示，其工作过程分为5个开关模态，分别为开关模态1至开关模态5，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3a所示，t₀时刻开通S，第一二极管D₁、箝位二极管D₃和升压二极管D₄反向偏置，第二二极管D₂和整流二极管D_o正向偏置；电流i_S、i_D2、i_D4、和线性上升。电流i_D1和i_Do线性下降，输入直流源V_in、输入电感L_in、磁化电感L_M和升压电容C₂给负载R和第二输出电容C_o提供能量。当整流二极管电流i_Do下降到零时，此模式结束。

开关模态2，对应图2中的[t₁,t₂]：等效电路如图3b所示，功率开关管S保持开通，第二二极管D₂、箝位二极管D₃和整流二极管反向偏置，第一二极管D₁和升压二极管D₄反向偏置。直流电压源V_in为输入电感L_in充电，电流i_S和线性上升。同时，第二耦合电感N₂、第三耦合电感N₃和箝位电容C_c串联给升压电容C₂充电。第二输出电容C_o给负载R充电。当功率开关管S关断时，此模式结束。

开关模态3，对应图2中的[t₂,t₃]：等效电路如图3c所示，功率开关管S关断，第二二极管D₂、箝位二极管D₃和整流二极管反向偏置，第一二极管D₁和升压二极管D₄正向偏置。第一耦合电感漏感L_k的能量流入功率开关管S的寄生电容C_P。升压电容C₂保持模式2的充电状态。同时，第二输出电容C_o为负载R供电。当寄生电容C_P电压高于箝位电容C_c电压时，此模式结束。

开关模态4，对应图2中的[t₃,t₄]：等效电路如图3d所示，功率开关管S保持关断，第二二极管D₂、箝位二极管D₃和整流二极管D_o正向偏置，第一二极管D₁和升压二极管D₄反向偏置。直流电压源V_in和输入电感L_in串联为第一输出电容C₁充电，箝位电容C_c被第一耦合电感漏感L_k和磁化电感L_M能量充电。电流和下降，电流i_Do上升。直流电压源V_in、输入电感L_in、磁化电感L_M和升压电容C₂串联为第二输出电容C_o和负载R供电。当充电电流i_D3等于零时，此模式结束。

开关模态5对应图2中的[t₄,t₅]：等效电路如图3e所示，功率开关管S保持关断，第二二极管D₂和整流二极管D_o反向偏置，第一二极管D₁、箝位二极管D₃和升压二极管D₄反向偏置，直流电压源V_in和输入电感L_in串联为第一输出电容C₁充电，直流电压源V_in、输入电感L_in、磁化电感L_M和升压电容C₂串联为第二输出电容C_o和负载R供电。当功率开关管S导通时，此模式结束。

由上述分析可得增益表达式为：

$M=\frac{1}{{(1-D)}^2}+\frac{1}{{(1-D)}^2}*\frac{N+N_{32}}{N-1}$

其中，D为功率开关管导通占空比，N为第一耦合电感与第二耦合电感的匝数比，N₃₂为第三耦合电感与第二耦合电感的匝数比，第一耦合电感、第二耦合电感和第三耦合电感匝数比为N₁：N₂：N₃。

下面通过具体实施例的数据说明采用本实施方式的结构的有益效果：

如图4a至图4g所示，输入电压V_in＝38V，输出电压V_o＝380V，图中V_gs为驱动信号,V_s为功率开关管S的漏极和源极电压差，V_Do为整流二极管D_o的阴极和阳极电压差，V_D1为第二二极管D₂的阴极和阳极电压差，V_D2为第一二极管D₁的阴极和阳极电压差，V_D3为箝位二极管D₃的阴极和阳极电压差，V_D4为升压二极管D₄的阴极和阳极电压差，V_C1为第一输出电容C₁两端电压差，V_C2为升压电容C₂两端电压差，V_CO为第二输出电容C_o两端电压差，为第一耦合电感N₁的电流,i_N2为第二耦合电感N₂的电流，i_N3为第三耦合电感N₃的电流，i_DO为整流二极管N₃的电流，i_in为输入电流，i_D4为升压二极管D₄的电流，在此坐标系统中，横坐标均为10微秒/单元格，V_s的纵坐标为50伏/单元格，V_Do的纵坐标为200伏/单元格，V_D1的纵坐标为100伏/单元格，V_D2的纵坐标为50伏/单元格，V_D3的纵坐标为50伏/单元格，V_D4的纵坐标为500伏/单元格，V_C1的纵坐标为50伏/单元格，V_C2的纵坐标为50伏/单元格，V_CO的纵坐标为500伏/单元格，的纵坐标为20安/单元格，i_N2的纵坐标为20安/单元格，i_N3的纵坐标为5安/单元格，i_DO的纵坐标为5安/单元格，i_in的纵坐标为10安/单元格，i_D4的纵坐标为10安/单元格，从图4a至图4g中可以看出，变换器的功率开关管S两端电压波形没有过大的尖峰，箝位二极管D₃自然关断，这可以有效的提高效率。

Claims (2)

1.一种高增益三绕组级联型升压变换器，其特征在于，所述变换器包括直流电压源V_in、输入电感L_in、功率开关管S、整流二极管D_o、第一二二极管D₁、第二二极管D₂、第一输出电容C₁、箝位二极管D₃、升压二极管D₄、箝位电容C_c、升压电容C₂、第二输出电容C_o、第一耦合电感N₁、第二耦合电感N₂和第三耦合电感N₃；

直流电压源V_in的正极与输入电感L_in的一端连接，

直流电压源V_in的负极与第一输出电容C₁的一端、第二输出电容C_o的一端、功率开关管S的输出端和箝位电容C_c的一端同时连接；

输入电感L_in的另一端与第一二极管D₁的阳极和第二二极管D₂的阳极同时连接；

第一二极管D₁的阴极、第一输出电容C₁的另一端和第一耦合电感N₁的一端同时连接；

第一耦合电感N₁的另一端、第二耦合电感N₂的一端和第三耦合电感N₃的一端同时连接；

第二二极管D₂的阴极、第二耦合电感N₂的另一端、功率开关管S的输入端和箝位二极管D₃的阳极同时连接；

箝位二极管D₃的阴极、箝位电容C_c的另一端和升压二极管D₄的阳极同时连接；

第三耦合电感N₃的另一端与升压电容C₂的一端连接；

升压电容C₂的另一端、升压二极管D₄的阴极和整流二极管D_o的阳极同时连接；

整流二极管D_o阴极与第二输出电容C_o的另一端连接。

2.根据权利要求1所述的一种高增益三绕组级联型升压变换器，其特征在于，所述功率开关管S为MOS管或者IGBT管。