CN105471253A - T型耦合电感网络升压变换器 - Google Patents

T型耦合电感网络升压变换器 Download PDF

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Abstract

T型耦合电感网络升压变换器，涉及T型耦合电感网络升压变换器，属于电力电子变换器的技术领域。解决了现有采用耦合电感技术实现升压的变换器，通过增加匝数比，实现电压增益的提升的方法，易引起电压和电流尖峰，严重降低了系统的性能的问题。它包括T型耦合电感网络、箝位-升压电路、功率开关管S、滤波电容Co和整流二极管Do；T型耦合电感网络输入端接直流电压源，T型耦合电感网络的中间绕组(耦合电感第二绕组N2)接功率开关管，T型耦合电感网络的输出端插入箝位-升压电路后，连接整流二极管和滤波电容。它主要用在升压变换领域。

Description

T型耦合电感网络升压变换器
技术领域
本发明涉及T型耦合电感网络升压变换器，属于电力电子变换器的技术领域。
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。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。采用耦合电感技术实现升压的变换器，一般是通过增加匝数比，从而实现电压增益的提升。但是，过高的匝数比会带来一些问题：漏感、寄生电容等参数会增加，容易引起电压和电流尖峰，这严重降低了系统的性能。
发明内容
本发明是为了解决现有采用耦合电感技术实现升压的变换器，通过增加匝数比，实现电压增益的提升的方法，易引起电压和电流尖峰，严重降低了系统的性能的问题，本发明提供了一种T型耦合电感网络升压变换器。
T型耦合电感网络升压变换器，它包括T型耦合电感网络、箝位-升压电路、功率开关管S、滤波电容Co和整流二极管Do；
T型耦合电感网络包括：耦合电感第一绕组N1、耦合电感第二绕组N2、耦合电感第三绕组N3，箝位-升压电路包括箝位二极管D1、箝位电容Cc、升压二极管D2和升压电容C1；
其中，耦合电感第一绕组N1的异名端、耦合电感第二绕组N2的异名端和耦合电感第三绕组N3的同名端连接在一起，
耦合电感第一绕组N1的同名端接直流电压源Vin的正极，耦合电感第二绕组N2的同名端同时与功率开关管S的输入端和箝位二极管D1的阳极连接，耦合电感第三绕组N3的异名端与升压电容C1的一端连接，升压电容C1的另一端与升压二极管D2的阴极和整流二极管Do的阳极同时连接，
整流二极管Do的阴极与滤波电容Co的一端连接，
升压二极管D2的阳极同时与箝位二极管D1的阴极和箝位电容Cc的一端连接，
直流电压源Vin的负极同时与率开关管S的输出端、箝位电容Cc的另一端和滤波电容Co的另一端连接，
滤波电容Co为变换器的输出端，用于接入负载R。
所述的耦合电感第一绕组N1与耦合电感第二绕组N2的匝数比小于1。
本发明的工作原理及工作过程如下：
本发明T型耦合电感网络升压变换器控制信号电压Vgs、第一耦合电感漏感电流第二耦合电感电流iN2，第二耦合电感电流iN3，输出二极管电流输出二极管两端电压箝位二极管电流箝位二极管两端电压升压二极管电流升压二极管两端电压功率开关管电流iS和电压VS的波形如图2所示，本发明T型耦合电感网络升压变换器工作过程分为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3所示，t0时刻开通S，第一耦合电感漏感电流和第二耦合电感电流iN2上升；第三耦合电感电流iN3下降到零反向流动，升压二极管电流上升，功率开关管S的寄生电容Cp放电，功率开关管电流iS上升，Vin、LM、N3、C1共同给负载和滤波电容供电。t1时刻，输出二极管电流下降到零。
开关模态2，对应图2中的[t1,t2]：等效电路如图4所示，t1时刻输出二极管关断，第一耦合电感漏感电流、第二耦合电感电流iN2线性上升。第二耦合电感、第三耦合电感和箝位电容共同给升压电容充电。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S寄生电容CP充电。第一耦合电感漏感电流和第二耦合电感电流iN2下降；升压二极管电流下降，第三耦合电感电流iN3下降到零反向流动，箝位二极管电流上升，功率开关管电流iS下降，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，输出二极管电流上升，箝位二极管电流下降。t4时刻，输出二极管电流下降到零。
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，输出二极管电流下降，Vin、LM、N3、C1共同给负载和滤波电容供电。t5时刻，功率开关管导通。
由上述分析可得增益表达式为：
M = 2 n 12 + n 32 - 1 ( 1 - D ) ( n 12 - 1 ) ,
其中，D为功率开关管的导通占空比，n12＝N1/N2为第一耦合电感与第二耦合电感的匝数比，n31＝N3/N1为第三耦合电感与第一耦合电感的匝数比，n32＝N3/N2为第三耦合电感与第二耦合电感的匝数比。
所具有的特点：
在传统的耦合电感类型的高增益直流变换器中，电压增益随着耦合电感匝数比的增加而显著提升，但是，耦合电感的匝数比并不能无限的提升，当耦合电感匝数比较大时，耦合电感漏感和寄生电容会严重影响变换器的性能。而在本变换器中，耦合电感匝数比越小，变换器的增益反而提升，这就有效的降低了耦合电感漏感和寄生电容对变换器性能的影响。如图8所示，进一步展示了所提变换器在匝数比上的优势。
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Vin＝20V，输出电压Vo＝200V，图中Vin为输入电压,Vo为输出电压，VS为功率开关管的漏极和源极电压差，VDo为输出二极管阴极和阳极电压差，VD1为箝位二极管阴极和阳极电压差，VD2为升压二极管阴极和阳极电压差，VCc为箝位电容两端电压，VC1为升压电容两端电压，iN1为第一耦合电感电流,iN2为第二耦合电感电流，iN3为第三耦合电感电流，iDo为整流二极管电流；在图9至图12坐标系统中，横坐标均为10微秒/单元格，VS的纵坐标为50伏/单元格，VDo的纵坐标为50伏/单元格，VD1的纵坐标为50伏/单元格，VD2的纵坐标为200伏/单元格，VCc的纵坐标为50伏/单元格，VC1的纵坐标为50伏/单元格，iN1的纵坐标为22.5安/单元格，iN2的纵坐标为15安/单元格，iN3的纵坐标为10安/单元格，iDo的纵坐标为5安/单元格，从图9至图12中可以看出，变换器的功率开关管两端电压波形没有过大的尖峰，箝位二极管自然关断，这可以有效的提高效率。
本发明带来的有益效果是，本发明所述的T型耦合电感网络升压变换器器件数量少，升压倍数大，转换效率高，功率密度大，主功率开关管电压应力低，且耦合电感匝数比越小(越接近于1)，成一种近似的反比关系，这有效的降低了耦合电感中漏感和寄生电容对变换器性能的影响。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的T型耦合电感网络升压变换器的结构示意图；
图2为T型耦合电感网络升压变换器的模态图；
图3为T型耦合电感网络升压变换器开关模态1的等效电路图；其中，LM为磁化电感，Lk为第一耦合电感漏感，第一耦合电感、第二耦合电感与第三耦合电感的匝数比为N1:N2:N3；
图4为T型耦合电感网络升压变换器开关模态2的等效电路图；
图5为T型耦合电感网络升压变换器开关模态3的等效电路图；
图6为T型耦合电感网络升压变换器开关模态4的等效电路图；
图7为T型耦合电感网络升压变换器开关模态5的等效电路图；
图8为耦合电感匝数比对传统的耦合电感类型升压变换器与所提的升压变换器增益的影响的波形图；其中，附图标记1表示所提升变换器，附图标记2表示传统的升压变换器；
图9至图12均为当输入电压Vin＝20V，输出电压Vo＝200V时，T型耦合电感网络升压变换器的实验波形图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的T型耦合电感网络升压变换器，它包括T型耦合电感网络、箝位-升压电路、功率开关管S、滤波电容Co和整流二极管Do；
T型耦合电感网络包括：耦合电感第一绕组N1、耦合电感第二绕组N2、耦合电感第三绕组N3，箝位-升压电路包括箝位二极管D1、箝位电容Cc、升压二极管D2和升压电容C1；
其中，耦合电感第一绕组N1的异名端、耦合电感第二绕组N2的异名端和耦合电感第三绕组N3的同名端连接在一起，
耦合电感第一绕组N1的同名端接直流电压源Vin的正极，耦合电感第二绕组N2的同名端同时与功率开关管S的输入端和箝位二极管D1的阳极连接，耦合电感第三绕组N3的异名端与升压电容C1的一端连接，升压电容C1的另一端与升压二极管D2的阴极和整流二极管Do的阳极同时连接，
整流二极管Do的阴极与滤波电容Co的一端连接，
升压二极管D2的阳极同时与箝位二极管D1的阴极和箝位电容Cc的一端连接，
直流电压源Vin的负极同时与率开关管S的输出端、箝位电容Cc的另一端和滤波电容Co的另一端连接，
滤波电容Co为变换器的输出端，用于接入负载R。
本实施方式中，T型耦合电感网络输入端接直流电压源，中间绕组(耦合电感第二绕组N2)接功率开关管，输出端插入箝位-升压电路，接着连接输出二极管和滤波电容。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的T型耦合电感网络升压变换器的区别在于，所述的耦合电感第一绕组N1与耦合电感第二绕组N2的匝数比小于1。
本实施方式中，当第一耦合电感N1和第二耦合电感N2的匝数比越小(越接近于1),升压变换器的电压增益越大,成一种近似的反比关系，这有效的降低了耦合电感中漏感和寄生电容对变换器性能的影响。

Claims (2)

1.T型耦合电感网络升压变换器，它包括T型耦合电感网络、箝位-升压电路、功率开关管S、滤波电容Co和整流二极管Do，其特征在于，T型耦合电感网络包括：耦合电感第一绕组N1、耦合电感第二绕组N2、耦合电感第三绕组N3，箝位-升压电路包括箝位二极管D1、箝位电容Cc、升压二极管D2和升压电容C1；
其中，耦合电感第一绕组N1的异名端、耦合电感第二绕组N2的异名端和耦合电感第三绕组N3的同名端连接在一起，
耦合电感第一绕组N1的同名端接直流电压源Vin的正极，耦合电感第二绕组N2的同名端同时与功率开关管S的输入端和箝位二极管D1的阳极连接，耦合电感第三绕组N3的异名端与升压电容C1的一端连接，升压电容C1的另一端与升压二极管D2的阴极和整流二极管Do的阳极同时连接，
整流二极管Do的阴极与滤波电容Co的一端连接，
升压二极管D2的阳极同时与箝位二极管D1的阴极和箝位电容Cc的一端连接，
直流电压源Vin的负极同时与率开关管S的输出端、箝位电容Cc的另一端和滤波电容Co的另一端连接，
滤波电容Co为变换器的输出端，用于接入负载R。
2.根据权利要求1所述的T型耦合电感网络升压变换器，其特征在于，所述的耦合电感第一绕组N1与耦合电感第二绕组N2的匝数比小于1。
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