CN105490523A - 一种开关准z源型升压变换器 - Google Patents

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张波
沈瀚云
罗安
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    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
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    • H02M3/07Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps

Abstract

本发明提供一种开关准Z源型升压变换器。所述变换器包括直流输入电源、第一电感(<i>L</i>1)、第一电容(<i>C</i>1)、第一二极管(<i>D</i>1)、第二电感(<i>L</i>2)、第二电容(<i>C</i>2)、第三二极管(<i>D</i>3)、第四二极管(<i>D</i>4)、第三电感(<i>L</i>3)、第三电容(<i>C</i>3)、第二二极管(<i>D</i>2)、第四电容(<i>C</i>4)、第四电感(<i>L</i>4)、第五二极管(<i>D</i>5)、开关管(<i>S</i>)、第六二极管(<i>D</i>6)、输出电容(<i>Cout</i>)和负载。本发明相比于开关电感Boost变换器、Z源升压变换器等具有较高的电压增益,适用于非隔离型高增益直流电压变换的场合。

Description

一种开关准Z源型升压变换器
技术领域
本发明涉及DC/DC变换器领域,具体涉及一种开关准Z源型升压变换器。
背景技术
在能源枯竭与环境污染日益严重的今天,太阳能作为清洁的可再生能源,日益受到国际社会的广泛关注,以太阳能发电为基础的供电系统和电气装置得到了深入的研究和开发。太阳能光伏发电已经成为当今利用太阳能最主要的方式之一。光伏阵列电池的输出电压等级较低,不能满足用电设备和并网的要求,因此光伏阵列电池的输出电压必须经过DC/DC变换器升压后才能使用。但许多升压DC/DC变换器受到占空比、生热和损耗的限制,无法实现大幅度的升压,如开关电感Boost变换器,其电压增益为(1+D)/(1-D),D为占空比,但由于寄生参数的影响,其增益受到限制;又如Z源升压变换器,其电压增益为(1-D)/(1-2D),较Boost变换器有了一定的提高,但仍有提升的空间。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足,提出一种开关准Z源型升压变换器。
本发明电路中具体包括直流输入电源Vin、第一电感、第一电容、第一二极管、第二电感、第二电容、第三二极管、第四二极管、第三电感、第三电容、第二二极管、第四电容、第四电感、第五二极管、开关管、第六二极管、输出电容和负载。
本发明电路具体的连接方式为:所述直流输入电源Vin的正极与第一电感的一端、第一电容的一端和第三二极管的阳极连接。所述第一电感的另外一端与第一二极管的阳极和第二电容的一端连接。所述第一二极管的阴极与第一电容的另外一端和第二电感的一端连接。所述第二电容的另外一端与第二电感的另外一端、第四二极管的阳极和第五二极管的阳极连接。所述第四二极管的阴极与第三二极管的阴极、第三电感的一端和第三电容的一端连接。所述第三电感的另外一端与第二二极管的阳极和第四电容的一端连接。所述第二二极管的阴极与第三电容的另外一端和第四电感的一端连接。所述第四电容的另外一端与第四电感的另外一端、第五二极管的阴极、开关管的漏极和第六二极管的阳极连接。所述第六二极管的阴极与输出电容的一端和负载的一端连接。所述输出电容与负载并联。所述直流输入电源Vin的负极与开关管的源极、输出电容的另外一端和负载的另外一端连接。
与现有技术相比,本发明电路具有的优势为:相比于开关电感Boost变换器(其输出电压为)和Z源升压变换器(其输出电压为)等DC/DC变换器,在相同的占空比和输入电压的情况下,具有更高的输出电压,输出电压为在相同的输入电压和输出电压条件下,本发明电路只需要较小的占空比就可以将低等级电压升至高等级的电压,而且输入输出共地、输入电流连续等,因此本发明电路具有很广泛的应用前景。
附图说明
图1为一种开关准Z源型升压变换器结构图。
图2为一个开关周期主要元件的电压电流波形图。
图3a、图3b为一个开关周期内电路模态图。
图4为提出的电路、开关电感Boost变换器和Z源升压变换器的增益Vout/Vin随占空比D变化的波形图。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述说明,但本发明的实施方式不限于此。需指出的是,以下若有未特别详细说明之过程或参数,均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。
本发明的基本拓扑结构和各主要元件电压电流参考方向如图1所示。为了验证方便,电路结构中的器件均视为理想器件。开关管S的驱动信号vGS、第一二极管D1电流iD1、第二二极管D2电流iD2、第三二极管D3电流iD3、第四二极管D4电流iD4、第五二极管D5电流iD5、第六二极管D6电流iD6、第一电感L1电流iL1、第二电感L2电流iL2、第三电感L3电流iL3、第四电感L4电流iL4、第一电容C1电压VC1、第二电容C2电压VC2、第三电容C3电压VC3、第四电容C4电压VC4的波形图如图2所示。
在t0~t1阶段,变换器在此阶段的模态图如图3a所示,开关管S的驱动信号vGS从低电平变为高电平,开关管S导通,第一二极管D1、第二二极管D2、第四二极管D4和第六二极管D6承受反向电压截止,第三二极管D3和第五二极管D5承受正向电压导通。直流输入电源Vin与第一电容C1通过开关管S和第五二极管D5同时给第二电感L2充电,直流输入电源Vin与第二电容C2通过开关管S和第五二极管D5同时给第一电感L1充电,直流输入电源Vin与第三电容C3通过开关管S和第三二极管D3同时给第四电感L4充电,直流输入电源Vin与第四电容C4通过开关管S和第三二极管D3同时给第三电感L3充电,第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4通过第三二极管D3和第五二极管D5同时给第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3和第四电感L4充电。此外,输出电容Cout给负载供电。
在t1~t2阶段,变换器在此阶段的模态图如图3b所示,开关管S的驱动信号vGS从高电平变为低电平,开关管S关断,第一二极管D1、第二二极管D2、第四二极管D4和第六二极管D6承受正向电压导通,第三二极管D3和第五二极管D5承受反向电压截止。第一电感L1和第二电感L2通过第一二极管D1同时给第一电容C1和第二电容C2充电,第三电感L3和第四电感L4通过第二二极管D2同时给第三电容C3和第四电容C4充电。此外,直流输入电源Vin、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3和第四电感L4通过第一二极管D1、第四二极管D4、第二二极管D2和第六二极管D6同时给第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、输出电容Cout和负载供电。
本发明电路的稳态增益推导如下:
由于第一电感L1与第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4的电感值相同,第一电容C1与第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4的电容值相同,则第一电感L1与第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4的电压、电流相等,第一电容C1与第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4的电压、电流相等。
由第一电感L1与第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4的电压在一个开关周期内的平均值为零,可得到下列关系式。
(Vin+VC1)ton-VC1toff=0(1)
又当开关管S关断时,输出电压Vout满足下列关系式。
Vout=Vin+VC1+VC2+VC3+VC4(2)
联立求解式(1)、(2)可得到输出电压Vout与直流输入电压Vin的关系。
V o u t = 1 + 2 D 1 - 2 D V i n - - - ( 4 )
开关电感Boost变换器与Z源升压变换器的稳态增益分别为(1+D)/(1-D)和(1-D)/(1-2D)(D为占空比),本发明所提电路与Boost变换器、Z源升压变换器的稳态增益比较图如图4所示,从图4可知,当输入电压为10V时,本发明提出的电路只需占空比为0.4就可以升至90V左右,而另两种变换器则需要较大的占空比。

Claims (2)

1.一种开关准Z源型升压变换器,其特征在于包括直流输入电源、第一电感(L 1)、第一电容(C 1)、第一二极管(D 1)、第二电感(L 2)、第二电容(C 2)、第三二极管(D 3)、第四二极管(D 4)、第三电感(L 3)、第三电容(C 3)、第二二极管(D 2)、第四电容(C 4)、第四电感(L 4)、第五二极管(D 5)、开关管(S)、第六二极管(D 6)、输出电容(C out )和负载;
所述直流输入电源的正极与第一电感(L 1)的一端、第一电容(C 1)的一端和第三二极管(D 3)的阳极连接;所述第一电感(L 1)的另外一端与第一二极管(D 1)的阳极和第二电容(C 2)的一端连接;所述第一二极管(D 1)的阴极与第一电容(C 1)的另外一端和第二电感(L 2)的一端连接;所述第二电容(C 2)的另外一端与第二电感(L 2)的另外一端、第四二极管(D 4)的阳极和第五二极管(D 5)的阳极连接;所述第四二极管(D 4)的阴极与第三二极管(D 3)的阴极、第三电感(L 3)的一端和第三电容(C 3)的一端连接;所述第三电感(L 3)的另外一端与第二二极管(D 2)的阳极和第四电容(C 4)的一端连接;所述第二二极管(D 2)的阴极与第三电容(C 3)的另外一端和第四电感(L 4)的一端连接;所述第四电容(C 4)的另外一端与第四电感(L 4)的另外一端、第五二极管(D 5)的阴极、开关管(S)的漏极和第六二极管(D 6)的阳极连接;所述第六二极管(D 6)的阴极与输出电容(C out )的一端和负载的一端连接;所述输出电容(C out )与负载并联;所述直流输入电源V in 的负极与开关管(S)的源极、输出电容(C out )的另外一端和负载的另外一端连接。
2.根据权利要求1所述的一种开关准Z源型升压变换器,其特征在于输出电压V out 与直流输入电压V in 的关系为:
,D为占空比。
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