CN105763050A - 一种采用抽头电感和电压举升技术的准z源变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用抽头电感和电压举升技术的准Z源变换器，包括直流输入电源、匝比为1:<i>n</i>的变压器（<i>T</i>）、第一二极管（<i>D</i>₁）、第二二极管（<i>D</i>₂）、第三二极管（<i>D</i>₃）、第一电容（<i>C</i>₁）、第二电容（<i>C</i>₂）、第四二极管（<i>D</i>₄）、第一电感（<i>L</i>₁）、第三电容（<i>C</i>₃）、第二电感（<i>L</i>₂）、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>C</i>_<i>out</i>）和负载。本发明相比于反激变换器、电压举升型准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

一种采用抽头电感和电压举升技术的准Z源变换器

技术领域

本发明涉及DC/DC变换器领域，具体涉及一种采用抽头电感和电压举升技术的准Z源变换器。

背景技术

光伏、燃料电池等绿色能源的应用和发展已成为解决能源危机的重要手段。但在新能源发电系统中，单体燃料电池和光伏电池的输出电压较低且波动范围大，故通常需要加入一级DC/DC变换器将低压电转换为稳定的高压直流电，然后再经过逆变器并网。然而许多升压DC/DC变换器受到占空比、寄生参数和损耗的限制，无法实现大幅度的升压，如反激变换器，其电压增益为nD/(1-D)，n为变压器匝比，D为占空比，但由于寄生参数的影响，其增益受到限制；又如电压举升型准Z源变换器，其电压增益为2/(1-3D)，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，提出一种采用抽头电感和电压举升技术的准Z源变换器。

本发明电路中具体包括直流输入电源、匝比为1:n的变压器、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电容、第二电容、第四二极管、第一电感、第三电容、第二电感、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：所述的直流输入电源V_in的正极与变压器原边的同名端连接。所述的变压器原边的异名端与变压器副边的同名端和第一二极管的阳极连接。所述的变压器副边的异名端与第二二极管的阳极连接。所述的第二二极管的阴极与第一二极管的阴极、第二电容的一端和第三二极管的阳极连接。所述的第三二极管的阴极与第一电容的一端、第四二极管的阳极和第一电感的一端连接。所述的第四二极管的阴极与第二电感的一端和第三电容的一端连接。所述的第三电容的另外一端与第一电感的另外一端和第五二极管的阳极连接。所述的第五二极管的阴极与第二电感的另外一端、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：相比于传统的反激变换器(其输出电压为)和电压举升型准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、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为一种采用抽头电感和电压举升技术的准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为一个开关周期内不同阶段的电路模态图。

图4为实例中本发明的电路、反激变换器和电压举升型准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

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、变压器T的励磁电感L_m电流i_Lm、第一电感L₁电流i_L1、第二电感L₂电流i_L2、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的波形图如图2所示。

(1)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、第四二极管D₄和第五二极管D₅承受正向电压导通，第二二极管D₂、第三二极管D₃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同时给变压器T的励磁电感L_m充电，第一电容C₁通过第四二极管D₄、第五二极管D₅和开关管S给第一电感L₁、第二电感L₂和第三电容C₃充电。此外，输出电容C_out给负载供电。

(2)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、第四二极管D₄和第五二极管D₅承受反向电压截止，第二二极管D₂、第三二极管D₃和第六二极管D₆承受正向电压导通。直流输入电源V_in和变压器T的励磁电感L_m通过第二二极管D₂和第三二极管D₃同时给第一电容C₁充电，直流输入电源V_in和变压器T的励磁电感L_m通过第二二极管D₂和第六二极管D₆同时给第二电容C₂、输出电容C_out和负载充电，第一电感L₁、第二电感L₂和第三电容C₃通过第三二极管D₃给第二电容C₂充电，第一电感L₁、第二电感L₂和第三电容C₃通过第六二极管D₆给第一电容C₁、输出电容C_out和负载充电。此外，直流输入电源V_in、变压器T的励磁电感L_m、第一电感L₁、第二电感L₂和第三电容C₃通过第二二极管D₂、第三二极管D₃和第六二极管D₆同时给输出电容C_out和负载充电。

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，则第一电感L₁与第二电感L₂的电压、电流相等。

由第一电感L₁与变压器T的励磁电感L_m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。

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

$V_{C1}{t}_{on}+\frac{V_{C3}-V_{C2}}{2}{t}_{off}=0---\left(2\right)$

V_C1＝V_C3(3)

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(4)

联立求解式(1)、(2)、(3)、(4)可得到输出电压V_out与直流输入电压V_in的关系。

$V_{out}=\frac{2(1+nD)}{1-(n+3)D-{\mathrm{nD}}^2}{V}_{in}---\left(5\right)$

传统反激变换器与电压举升型准Z源变换器的稳态增益分别为nD/(1-D)和2/(1-3D)(D为占空比，n为变压器匝比)，当匝比n＝1时，本发明所提电路与反激变换器、电压举升型准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0.2就可以升至150V左右，而另两种变换器则需要较大的占空比。

Claims (2)

1.一种采用抽头电感和电压举升技术的准Z源变换器，其特征在于包括直流输入电源、匝比为1:n的变压器（T）、第一二极管（D₁）、第二二极管（D₂）、第三二极管（D₃）、第一电容（C₁）、第二电容（C₂）、第四二极管（D₄）、第一电感（L₁）、第三电容（C₃）、第二电感（L₂）、第五二极管（D₅）、开关管（S）、第六二极管（D₆）、输出电容（C_out）和负载；

所述直流输入电源的正极与变压器（T）原边的同名端连接；所述变压器（T）原边的异名端与变压器（T）副边的同名端和第一二极管（D₁）的阳极连接；所述变压器（T）副边的异名端与第二二极管（D₂）的阳极连接；所述第二二极管（D₂）的阴极与第一二极管（D₁）的阴极、第二电容（C₂）的一端和第三二极管（D₃）的阳极连接；所述第三二极管（D₃）的阴极与第一电容（C₁）的一端、第四二极管（D₄）的阳极和第一电感（L₁）的一端连接；所述第四二极管（D₄）的阴极与第二电感（L₂）的一端和第三电容（C₃）的一端连接；所述第三电容（C₃）的另外一端与第一电感（L₁）的另外一端和第五二极管（D₅）的阳极连接；所述第五二极管（D₅）的阴极与第二电感（L₂）的另外一端、第二电容（C₂）的另外一端、开关管（S）的漏极和第六二极管（D₆）的阳极连接；所述第六二极管（D₆）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；所述直流输入电源的负极与第一电容（C₁）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1一种采用抽头电感和电压举升技术的准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

，

其中D为占空比，n为变压器匝比。