CN105958823A - 一种电流连续型高增益开关升压准z源变换器电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电流连续型高增益开关升压准Z源变换器电路，包括电压源，由第一电感、第一二极管、第一功率开关管、第一电容和第二二极管构成的二端口开关升压单元，由第二电感、第二电容、第三电容和第三二极管构成的准Z源网络，第二功率开关管，第四二极管，输出电容和负载。整个电路结构简单，结合了开关升压单元和准Z源网络各自的单级升降压特性，具有较高的输出电压增益，电源电流连续，负载电流连续，输出输入共地，且电路不存在启动冲击电流和开关管开通瞬间的冲击电流。

Description

一种电流连续型高增益开关升压准Z源变换器电路

技术领域

本发明涉及电力电子电路技术领域，具体涉及一种电流连续型高增益开关升压准Z源变换器电路。

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变换器电路。近几年提出的Z源升压变换器是一种高增益变换器电路，但该电路具有较高的阻抗网络电容电压应力，电源电流不连续，输出与输入不共地，且电路启动时存在很大启动冲击电流问题，限制了该电路在实际中的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种电流连续型高增益开关升压准Z源变换器电路，具体技术方案如下。

一种电流连续型高增益开关升压准Z源变换器电路，包括电压源、开关升压单元、准Z源阻抗网络、第四二极管、第二功率开关管、输出电容和负载。所述开关升压单元由第一电感、第一功率开关管、第一二极管、第一电容和第 二二极管构成；所述准Z源阻抗网络由第二电感、第三二极管、第二电容和第三电容构成。

上述的，一种电流连续型高增益开关升压准Z源变换器电路中，所述电压源的正极与第一电感的一端连接；所述第一电感的另一端分别与第一二极管的阳极和第一功率开关管的漏极连接；所述第一功率开关管的源极分别与第二二极管的阳极和第一电容的负极连接；所述第一二极管的阴极分别与第一电容的正极、第三二极管的阳极和第二电容的负极连接；所述第三二极管的阴极分别与第二电感的一端和第三电容的正极连接；所述第二电感的另一端分别与第二电容的正极、第四二极管的阳极和第二功率开关管的漏极连接；所述第四二极管的阴极分别与输出电容的正极和负载的一端连接；所述电压源的负极分别与第二二极管的阴极、第三电容的负极、第二功率开关管的源极、输出电容的负极、负载的另一端连接。

与现有技术相比，本发明电路具有如下优点和技术效果：输出电压增益更高；对启动冲击电流具有很好的抑制作用，开关管开通瞬间，输出电容在开关管开通瞬间也不会对开关管产生冲击电流，可靠性提高；且输入电源电流连续，负载电流连续，输出与输入共地，因而更适合应用于燃料电池发电和光伏发电等新能源发电技术领域。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中的一种电流连续型高增益开关升压准Z源变换器电路。

图2a、图2b分别是图1所示一种电流连续型高增益开关升压准Z源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开关电感准Z源变换器、基于二极管拓展的准Z源变换器和传统准Z源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开关电感准Z源变换器、基于二极管拓展的准Z源变换器和传统准Z源变换器的增益曲线在占空比D小于0.38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，本发明所述的一种电流连续型高增益开关升压准Z源变换器电路，其包括电压源V_i，由第一电感L₁，第一二极管D₁，第一电容C₁，第一开关管S₁和第二二极管D₂构成的开关升压单元和由第二电感L₂、第二电容C₂、第三电容C₃和第三二极管D₃构成的准Z源网络以及第四二极管D₄，第二开关管S₂，输出电容C_o和负载R_L。当第一开关管S₁和第二开关管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和第四二极管D₄均关断，第三电容C₃对第二电感L₂充电；所述电压源V_i与第一电容C₁和第二电容C₂一起对第一电感L₁充电储能；同时，输出电容C_o对负载R_L供电。当第一开关管S₁和第二开关管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和第四二极管D₄均导通，所述电压源V_i与第一电感L₁分别给第一电容C₁和第三电容C₃充电储能，形成回路；第二电感L₂与第二电容C₂并联，形成回路；同时，电压源V_i与第一电感L₁、第二电感L₂一起给输出电容C_o和负载R_L供电。整个电路结构简单，具有比较高的输出电压增益，电源电流连续，负载电流连续，输出与输入共地，且电路不存在启动电流冲击和开关管开通瞬间的电流冲击问题。

本发明电路的具体连接如下：所述电压源的正极与第一电感的一端连接；所述第一电感的另一端分别与第一二极管的阳极和第一开关管的漏极连接；所述第一开关管的源极分别与第二二极管的阳极和第一电容的负极连接；所述第一二极管的阴极分别与第一电容的正极、第三二极管的阳极和第二电容的负极连接；所述第三二极管的阴极分别与第二电感的一端和第三电容的正极连接；所述第二电感的另一端分别与第二电容的正极、第四二极管的阳极和第二开关管的漏极连接；所述第四二极管的阴极分别与输出电容的正极和负载的一端连接；所述电压源的负极分别与第二二极管的阴极、第三电容的负极、第二开关管的源极、输出电容的负极、负载的另一端连接。

图2a、图2b给出了本发明电路的工作过程图。图2a、图2b分别是第一开关管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：第一开关管S₁和第二开关管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和第四二极管D₄均关断。电路形成了两个回路，分别是：电压源V_i与第一电容C₁和第二电容C₂一起给第一电感L₁充电储能，形成回路；第三电容C₃对第二电感L₂进行充电储能，形成回路。

阶段2，如图2b：第一开关管S₁和第二开关管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和第四二极管D₄均导通。电路形成了四个回路，分别是：电压源V_i与第一电感L₁给第一电容C₁充电储能，形成回路；电压源V_i与第一电感L₁给第三电容C₃充电储能，形成回路；第二电感L₂对第二电容C₂充电，形成回路；电压源V_i与第一电感L₁、第二电感L₂一起对输出电容C_o和负载R_L供电，形成回路。

综上情况，由于第一开关管S₁和第二开关管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T_s。并设定V_L1和V_L2分别为第一电感L₁和第二电感L₂两端的电压，V_C1、V_C2和V_C3分别为第一电容C₁、第二电容C₂和第三电容C₃的电压，V_S1为和V_S2分别为第一开关管S₁和第二开关管S₂漏极与源极之间的电压。在一个开关周期T_s内，令输出电压为V_o。当变换器进入稳态工作后，得出以下的电压关系推导过程。

阶段1：第一开关管S₁和第二开关管S₂同时导通期间，对应的等效电路图2a所示，因此有如下公式：

V_L1＝V_i+V_C1+V_C2 (1)

V_L2＝V_C3 (2)

V_S1＝V_S2＝0 (3) 开关管S₁和S₂的导通时间为DT_s。

阶段2：第一开关管S₁和第二开关管S₂均关断期间，对应的等效电路如图2b所示，因此有如下公式：

V_L1＝V_i-V_C1 (4)

V_L2＝-V_C2 (5)

V_C1＝V_C3 (6)

V_S1＝V_C1 (7)

V_O＝V_S2＝V_C2+V_C3 (8)

开关管S₁和S₂的关断时间为(1-D)T_s。

根据以上分析，对电感L₁运用电感伏秒数守恒原理，联立式(1)、式(2)、式(4)、式(5)和式(6)可得：

(1-D)V_i+D²V_C1＝(1-2D)(1-D)V_C1 (9)

因而，可得出第一电容C₁的电压V_C1与电压源V_i之间的关系式为：

$V_{C1}=\frac{1-D}{1-3D+D^2}{V}_i---\left(10\right)$

由于稳态时第三电容C₃的电压V_C3等于第一电容C₁的电压V_C1，可得：

$V_{C3}=V_{C1}=\frac{1-D}{1-3D+D^2}{V}_i---\left(11\right)$

结合式(2)和式(5)，并对第二电感L₂应用电感伏秒数守恒原理，可得：

$V_{C2}=\frac{D}{1-D}{V}_{C1}=\frac{D}{1-3D+D^2}{V}_i---\left(12\right)$

又由式(8)、式(11)和式(12)，可得本发明电路的增益因子表达式为：

$G=\frac{V_o}{V_i}=\frac{1}{1-3D+D^2}---\left(13\right)$

如图3a所示为本发明电路的增益曲线与开关电感准Z源变换器和传统准Z源变换器的增益曲线比较图；图中红色实线表示本发明电路的增益曲线，绿色实线表示开关电感准Z源变换器的增益曲线，蓝色实线表示基于二极管拓展的准Z源变换器的增益曲线，黑色实线表示传统准Z源变换器的增益曲线。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0.38内的比较图，图中红色实线表示本发明电路的增益曲线，绿色实线表示开关电感准Z源变换器的增益曲线，蓝色实线表示基于二极管拓展的准Z源变换器的增益曲线，黑色实线表示传统准Z源变换器的增益曲线。由图可知，本发明电路在占空比D不超过0.38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0.38。因此，相比之下，本发明电路的增益是非常高的。

另外，由于本发明电路本身拓扑结构的特点，当其启动时，第一电感L₁和准Z源网络中的第二电感L₂对启动冲击电流有抑制作用，有利于变换器的软启动，减少了对器件的冲击损害。

综上所述，本发明电路具有较高的电压增益，电源电流连续，负载电流连续，输出与输入共地，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，该变换器同样可用于DC-AC的逆变器范畴，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 (3)

1.一种电流连续型高增益开关升压准Z源变换器电路，其特征在于包括电压源（V_i）、开关升压单元、准Z源网络、第二功率开关管（S₂）、第四二极管（D₄）、输出电容（C_o）和负载（R_L）；所述开关升压单元由第一电感（L₁）、第一二极管（D₁）、第一电容（C₁）、第一功率开关管（S₁）和第二二极管（D₂）构成；所述准Z源网络由第二电感（L₂）、第二电容（C₂）、第三电容（C₃）和第三二极管（D₃）构成。

2.根据权利要求1所述的一种电流连续型高增益开关升压准Z源变换器电路，其特征在于所述电压源（V_i）的正极与第一电感（L₁）的一端连接；所述第一电感（L₁）的另一端分别与第一二极管（D₁）的阳极和第一功率开关管（S₁）的漏极连接；所述第一功率开关管（S₁）的源极分别与第二二极管（D₂）的阳极和第一电容（C₁）的负极连接；所述第一二极管（D₁）的阴极分别与第一电容（C₁）的正极、第三二极管（D₃）的阳极和第二电容（C₂）的负极连接；所述第三二极管（D₃）的阴极分别与第二电感（L₂）的一端和第三电容（C₃）的正极连接；所述第二电感（L₂）的另一端分别与第二电容（C₂）的正极、第四二极管（D₄）的阳极和第二功率开关管（S₂）的漏极连接；所述第四二极管（D₄）的阴极分别与输出电容（C_o）的正极和负载（R_L）的一端连接；所述电压源（V_i）的负极分别与第二二极管（D₂）的阴极、第三电容（C₃）的负极、第二功率开关管（S₂）的源极、输出电容（C_o）的负极、负载（R_L）的另一端连接。

3.根据权利要求1所述的一种电流连续型高增益开关升压准Z源变换器电路，其特征在于当第一功率开关管（S₁）和第二功率开关管（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）和第四二极管（D₄）均关断，第三电容（C₃）对第二电感（L₂）充电；所述电压源（V_i）与第一电容（C₁）和第二电容（C₂）一起对第一电感（L₁）充电储能；同时，输出电容（C_o）对负载（R_L）供电；当第一功率开关管（S₁）和第二功率开关管（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）和第四二极管（D₄）均导通，所述电压源（V_i）与第一电感（L₁）分别给第一电容（C₁）和第三电容（C₃）充电储能，形成回路；第二电感（L₂）与第二电容（C₂）并联，形成回路；同时，电压源（V_i）与第一电感（L₁）、第二电感（L₂）一起给输出电容（C_o）和负载（R_L）供电。