CN105939112B - 一种高增益准开关升压dc-dc变换器 - Google Patents

一种高增益准开关升压dc-dc变换器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高增益准开关升压DC‑DC变换器电路，包括电压源，由第一电容、第一二极管、第一MOS管、第三二极管和电感构成的二端准开关升压单元，第二MOS管，第二电容、第二二极管，输出二极管，输出滤波电容和负载。本发明整个电路结构简单，结合了准开关升压单元和开关电容各自的单级升压特性，实现了输出电压增益的拓展。

Description

一种高增益准开关升压DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及电力电子电路技术领域，具体涉及一种高增益准开关升压DC-DC变换器电路。
背景技术
在燃料电池发电、光伏发电中，由于单个太阳能电池或者单个燃料电池提供的直流电压较低，无法满足现有用电设备的用电需求，也不能满足并网的需求，往往需要将多个电池串联起来达到所需的电压。这种方法一方面大大降低了整个系统的可靠性，另一方面还需解决串联均压问题。为此，需要能够把低电压转换为高电压的高增益DC-DC变换器。近几年提出的开关升压变换器SBI由于其输出电压的变化范围小，在低电压输入高电压输出的场合，如分布式能源并网系统和燃料电池系统，传统SBI变换器变得不再适用。为了扩大传统SBI变换器的适用范围，有必要通过拓扑改进拓展其输出电压增益。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种高增益准开关升压DC-DC变换器电路，具体技术方案如下。
一种高增益准开关升压DC-DC变换器电路，包括电压源，由第一电容，第一二极管，第一MOS管，第三二极管和电感构成的二端准开关升压单元，第二MOS管，第二电容、第二二极管，输出二极管，输出滤波电容和负载构 成。
上述的一种高增益准开关升压DC-DC变换器电路中，所述电压源的正极分别与第一电容的负极和第三二极管的阳极连接；所述第一电容的正极分别与第一二极管的阴极、第一MOS管的漏极和输出二极管的阳极连接；所述第一MOS管的源极分别与第三二极管的阴极和电感的一端连接；所述第一二极管的阳极分别与电感的另一端、第二MOS管的漏极、第二电容的正极连接；所述第二电容的负极分别与第二二极管的阳极、输出滤波电容的负极和负载的一端连接；所述输出二极管的阴极分别与输出滤波电容的正极和负载的另一端连接；所述电压源的负极分别与第二MOS管的源极、第二二极管的阴极连接。
与现有技术相比，本发明电路具有如下优点和技术效果：本发明整个电路结构简单，控制方便，输出电压增益更高；本发明电路利用准开关升压单元的单级升降压特性和开关电容并行充电串联放电的特性，从而升高了输出电压，实现了准开关升压变换器输出电压增益的拓展。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中的一种高增益准开关升压DC-DC变换器电路。
图2a、图2b分别是图1所示一种高增益准开关升压DC-DC变换器电路在其第一开关管S1和第二开关管S2同时导通和同时关断时段的等效电路图。
图3a为本发明电路的增益曲线与Boost变换器、开关电容Boost变换器和传统Z源DC-DC变换器的增益曲线比较图。
图3b为图3a中本发明电路的增益曲线与Boost变换器、开关电容Boost变换器和传统Z源DC-DC变换器的增益曲线在占空比D小于0.5内的比较图。
具体实施方式
以上内容已经对本发明的技术方案作了详细说明，以下结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。
参考图1，本发明所述的一种高增益准开关升压DC-DC变换器电路，包括电压源，由第一电容，第一二极管，第一MOS管，第三二极管和电感构成的二端准开关升压单元，第二MOS管，第二电容、第二二极管，输出二极管Do，输出滤波电容Cf和负载RL。当第一MOS管S1和第二MOS管S2同时导通时，所述第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3均关断；所述电压源Vi与第一电容C1一起对电感L充电储能；同时，电压源Vi、第一电容C1与第二电容C2一起对输出滤波电容Cf和负载RL供电。当第一MOS管S1和第二MOS管S2同时关断时，所述第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3均导通，输出二极管Do关断；电感L与第一电容C1并联，形成回路；所述电压源Vi与电感L一起对第二电容C2充电，形成回路；同时，输出滤波电容Cf对负载RL进行供电。整个电路结构简单，具有较高的输出电压增益。
所述电压源的正极分别与第一电容的负极和第三二极管的阳极连接；所述第一电容的正极分别与第一二极管的阴极、第一MOS管的漏极和输出二极管的阳极连接；所述第一MOS管的源极分别与第三二极管的阴极和电感的一端连接；所述第一二极管的阳极分别与电感的另一端、第二MOS管的漏极、第 二电容的正极连接；所述第二电容的负极分别与第二二极管的阳极、输出滤波电容的负极和负载的一端连接；所述输出二极管的阴极分别与输出滤波电容的正极和负载的另一端连接；所述电压源的负极分别与第二MOS管的源极、第二二极管的阴极连接。
图2a、图2b给出了本发明电路的工作过程图。图2a、图2b分别对应的是第一MOS管S1和第二MOS管S2同时导通和同时关断时段的等效电路图。图中实线表示变换器中有电流流过的部分，虚线表示变换器中无电流流过的部分。
本发明的工作过程如下：
阶段1，如图2a：第一MOS管S1和第二MOS管S2同时导通，此时第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3均关断。电路形成了两个回路，分别是：电压源Vi与第一电容C1和第二电容C2一起给输出滤波电容Cf和负载RL充电，形成回路；电压源Vi与第一电容C1对电感L进行充电储能，形成回路。
阶段2，如图2b：第一MOS管S1和第二MOS管S2同时关断，此时第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3均导通，输出二极管Do关断。电路形成了三个回路，分别是：电压源Vi与电感L给第二电容C2充电储能，形成回路；电感L对第一电容C1充电，形成回路；输出滤波电容Cf给负载RL供电，形成回路。
综上情况，由于第一MOS管S1和第二MOS管S2的开关触发脉冲完全相 同，设开关管S1和S2的占空比均为D，开关周期为Ts。并设定VL电感L两端的电压，VC1、VC2分别为第一电容C1和第二电容C2的电压，VS1为和VS2分别为第一MOS管S1和第二MOS管S2漏极与源极之间的电压。在一个开关周期Ts内，令输出电压为Vo。当变换器进入稳态工作后，得出以下的电压关系推导过程。
工作模态1：第一MOS管S1和第二MOS管S2同时导通，对应的等效电路图2a所示，因此有如下公式：
VL＝Vi+VC1 (1)
VO＝Vi+VC1+VC2 (2)
VS1＝VS2＝0 (3)
MOS管S1和S2的导通时间为DTs。
工作模态2：第一MOS管S1和第二MOS管S2均关断，对应的等效电路如图2b所示，因此有如下公式：
VL＝-VC1 (4)
VL＝Vi-VC2 (5)
VS2＝Vi+VC1 (6)
VS1＝VC1 (7)
MOS管S1和S2的关断时间为(1-D)Ts。
根据以上分析，对电感L运用电感伏秒数守恒原理，联立式(1)、式(4)、式(5)可得：
D(Vi+VC1)-(1-D)VC1＝0 (8)
因而，可得出第一电容C1的电压VC1与电压源Vi之间的关系式为：
由式(4)和式(5)可以得到第二电容C2的电压VC2电压源Vi之间的关系式为：
则由式(2)、式(9)和式(10)，可得本发明电路的增益因子表达式为：
如图3a所示为本发明电路的增益曲线与Boost变换器、开关电容Boost变换器和传统Z源DC-DC变换器的增益曲线比较图；图3b为图3a中本发明电路增益曲线与基本升压电路的增益曲线在占空比D小于0.5内的比较图，图中包括本发明电路的增益曲线，传统Z源DC-DC变换器的增益曲线，开关电容Boost变换器的增益曲线，Boost变换器的增益曲线。由图可知，本发明电路在占空比D不超过0.5的情况下，增益G就可以达到很大，且本发明电路的占空比D不会超过0.5。因此，相比之下，本发明电路的增益是非常高的。
综上所述，本发明电路整体结构简单，控制方便，结合了准开关升压单元单级升降压的特性和开关电容并行充电串联放电的特性，实现了输出电压增益的进一步提升，且不存在启动冲击电流和MOS管开通瞬间的冲击电流。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种高增益准开关升压DC-DC变换器电路，其特征在于包括电压源（Vi）、准开关升压单元、第二MOS管（S2）、第二电容（C2）第二二极管（D2）、输出二极管（Do）、输出滤波电容（Cf）和负载（RL）；所述准开关升压单元由电感（L）、第一二极管（D1）、第一电容（C1）、第一MOS管（S1）和第三二极管（D3）构成；所述电压源（Vi）的正极分别与第一电容（C1）的负极和第三二极管（D3）的阳极连接；所述第一电容（C1）的正极分别与第一二极管（D1）的阴极、第一MOS管（S1）的漏极和输出二极管（Do）的阳极连接；所述第一MOS管（S1）的源极分别与第三二极管（D3）的阴极和电感（L）的一端连接；所述第一二极管（D1）的阳极分别与电感（L）的另一端、第二MOS管（S2）的漏极、第二电容（C2）的正极连接；所述第二电容（C2）的负极分别与第二二极管（D2）的阳极、输出滤波电容（Cf）的负极和负载（RL）的一端连接；所述输出二极管（Do）的阴极分别与输出滤波电容（Cf）的正极和负载（RL）的另一端连接；所述电压源（Vi）的负极分别与第二MOS管（S2）的源极、第二二极管（D2）的阴极连接。
2.根据权利要求1所述的一种高增益准开关升压DC-DC变换器电路，其特征在于当第一MOS管（S1）和第二MOS管（S2）同时导通时，所述第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第三二极管（D3）均关断，电压源（Vi）和第一电容（C1）对电感（L）充电；同时，电压源（Vi）与第一电容（C1）和第二电容（C2）一起对输出滤波电容（Cf）和负载（RL）供电；当第一MOS管（S1）和第二MOS管（S2）同时关断时，所述第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第三二极管（D3）均导通，输出二极管（Do）关断；所述电感（L）与第一电容（C1）并联，形成回路；所述电压源（Vi）和电感（L）给第二电容（C2）充电；同时，输出滤波电容（Cf）给负载（RL）供电。
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