CN105490538A - 一种改进的开关电感型准z源变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种改进的开关电感型准Z源变换器，所述变换器包括直流输入电源<i>V_in</i>、第一二极管（<i>D</i>₁）、第一电感（<i>L</i>₁）、第二二极管（<i>D</i>₂）、第二电感（<i>L</i>₂）、第三二极管（<i>D</i>₃）、第二电容（<i>C</i>₂）、第四二极管（<i>D</i>₄）、第一电容（<i>C</i>₁）、第三电感（<i>L</i>₃）、第三电容（<i>C</i>₃）、第五二极管（<i>D</i>₅）、第四电容（<i>C</i>₄）、第四电感（<i>L</i>₄）、开关管（<i>S</i>）、第六二极管（<i>D</i>₆）、输出电容（<i>C_out</i>）和负载。本发明相比于Boost变换器、双开关电感型准Z源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

一种改进的开关电感型准Z源变换器

技术领域

本发明涉及DC/DC变换器领域，具体涉及一种改进的开关电感型准Z源变换器。

背景技术

近年来，随着石油、煤炭等化石能源的日益枯竭，世界各国都在大力开发新型可再生清洁能源。而可再生能源发电系统通常需要具有较强升压能力的直流功率变换器，将从可再生能源中获得的低压直流电(18～50V)转换为足够高的直流电压(200～400V)，然后进行逆变以并网发电，或供给独立交流负载。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Boost变换器，其电压增益为1/(1-D)，D为占空比，但由于寄生参数的影响，其增益受到限制；又如双开关电感型准Z源变换器，其电压增益为(1+D)/(1-3D)，较Boost变换器有了很大的提高，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，提出一种改进的开关电感型准Z源变换器。

本发明电路中具体包括直流输入电源V_in、第一二极管、第一电感、第二二极管、第二电感、第三二极管、第二电容、第四二极管、第一电容、第三电感、第三电容、第五二极管、第四电容、第四电感、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：所述的直流输入电源V_in的正极与第一二极管的阳极和第一电感的一端连接。所述的第一二极管的阴极与第二二极管的阴极和第二电感的一端连接。所述的第二二极管的阳极与第一电感的另外一端和第三二极管的阳极连接。所述的第二电感的另外一端与第三二极管的阴极、第二电容的一端和第四二极管的阳极连接。所述的第四二极管的阴极与第一电容的一端、第三电感的一端和第三电容的一端连接。所述的第三电感的另外一端与第五二极管的阳极和第四电容的一端连接。所述的第五二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。所述的第四电容的另外一端与第四电感的另外一端、第二电容的另外一端、开关管的漏极和第六二极管的阳极连接。所述的第六二极管的阴极与输出电容的一端和负载的一端连接。所述的输出电容与负载并联。所述的直流输入电源V_in的负极与第一电容的另外一端、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：相比于传统的Boost变换器(其输出电压为)和双开关电感型准Z源变换器(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为一种改进的开关电感型准Z源变换器结构图。

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、Boost和双开关电感型准Z源变换器的增益V_out/V_in随占空比D变化的波形图。

具体实施方式

为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v_GS、第一二极管D₁电流i_D1、第二二极管D₂电流i_D2、第三二极管D₃电流i_D3、第四二极管D₄电流i_D4、第五二极管D₅电流i_D5、第六二极管D₆电流i_D6、第一电感L₁电流i_L1、第二电感L₂电流i_L2、第三电感L₃电流i_L3、第四电感L₄电流i_L4、第一电容C₁电压V_C1、第二电容C₂电压V_C2、第三电容C₃电压V_C3、第四电容C₄电压V_C4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v_GS从低电平变为高电平，开关管S导通，第一二极管D₁和第三二极管D₃承受正向电压导通，第二二极管D₂、第四二极管D₄、第五二极管D₅和第六二极管D₆承受反向电压截止。直流输入电源V_in与第二电容C₂通过第一二极管D₁和开关管S同时给第二电感L₂充电，直流输入电源V_in与第二电容C₂通过第三二极管D₃和开关管S同时给第一电感L₁充电，第一电容C₁和第四电容C₄通过开关管S同时给第三电感L₃充电，第一电容C₁和第三电容C₃通过开关管S同时给第四电感L₄充电。此外，输出电容C_out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v_GS从高电平变为低电平，开关管S关断，第一二极管D₁和第三二极管D₃承受反向电压截止，第二二极管D₂、第四二极管D₄、第五二极管D₅和第六二极管D₆承受正向电压导通。直流输入电源V_in与第一电感L₁和第二电感L₂通过第二二极管D₂、第四二极管D₄、第五二极管D₅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C_out和负载充电，第三电感L₃和第四电感L₄通过第四二极管D₄和第五二极管D₅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C_out和负载充电。此外，直流输入电源V_in、第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃和第四电感L₄通过第二二极管D₂、第四二极管D₄、第五二极管D₅和第六二极管D₆同时给输出电容C_out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的电感值相等，第三电感L₃与第四电感L₄的电感值相等，第三电容C₃与第四电容C₄的电容值相等，则第一电感L₁与第二电感L₂的电压、电流相等，第三电感L₃与第四电感L₄的电压、电流相等，第三电容C₃与第四电容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。

$(V_{in}+V_{C2})t_{on}+\frac{V_{in}-V_{C1}}{2}{t}_{off}=0---\left(1\right)$

(V_C1+V_C2)t_on-V_C2t_off＝0(2)

又当开关管S关断时，输出电压V_out满足下列关系式。

V_out＝V_C1+V_C2(3)

联立求解式(1)、(2)、(3)可得到输出电压V_out与直流输入电压V_in的关系。

$V_{out}=\frac{1+D}{1-3D-2D^2}{V}_{in}---\left(4\right)$

传统Boost变换器与双开关电感型准Z源变换器的稳态增益分别为1/(1-D)和(1+D)/(1-3D)(D为占空比)，本发明所提电路与Boost变换器、开关电感型准Z源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0.25就可以升至100V左右，而另两种变换器则需要较大的占空比。

Claims (2)

1.一种改进的开关电感型准Z源变换器，其特征在于包括直流输入电源、第一二极管（D ₁）、第一电感（L ₁）、第二二极管（D ₂）、第二电感（L ₂）、第三二极管（D ₃）、第二电容（C ₂）、第四二极管（D ₄）、第一电容（C ₁）、第三电感（L ₃）、第三电容（C ₃）、第五二极管（D ₅）、第四电容（C ₄）、第四电感（L ₄）、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一二极管（D ₁）的阳极和第一电感（L ₁）的一端连接；所述第一二极管（D ₁）的阴极与第二二极管（D ₂）的阴极和第二电感（L ₂）的一端连接；所述第二二极管（D ₂）的阳极与第一电感（L ₁）的另外一端和第三二极管（D ₃）的阳极连接；所述第二电感（L ₂）的另外一端与第三二极管（D ₃）的阴极、第二电容（C ₂）的一端和第四二极管（D ₄）的阳极连接；所述第四二极管（D ₄）的阴极与第一电容（C ₁）的一端、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）的另外一端与第五二极管（D ₅）的阳极和第四电容（C ₄）的一端连接；所述第五二极管（D ₅）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、第二电容（C ₂）的另外一端、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 的负极与第一电容（C ₁）的另外一端、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所述的一种改进的开关电感型准Z源变换器，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。