CN106602869A - 一种共地型高增益z源dc‑dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种共地型高增益Z源DC‑DC变换器，包括输入直流电压源(V_i)、输入二极管(D_in)、高增益Z源阻抗网络、开关管(S₁)、输出二极管(D_o)、输出滤波电容(C_o)和负载电阻(R_L)；其中高增益Z源阻抗网络由第一电感(L₁)、第一电容(C)、第一二极管(D₁)、第二电感(L₂)、第二电容(C₂)、第二二极管(D₂)、第三电感(L₃)、第三电容(C₃)、第三二极管(D₃)、第四电感(L₄)、第四电容(C₄)、第四二极管(D₄)构成。整个电路结构简单，只用了一个开关管，负载电流连续，输入与输出共地，利用高增益Z源阻抗网络中电感和电容之间能量的相互传递，使其与其它高增益的Z源升压变换器相比，具有更高的输出电压增益。

Description

一种共地型高增益Z源DC-DC变换器

技术领域

本发明涉及电力电子变换器技术领域，具体涉及一种共地型高增益Z源DC-DC变换器。

背景技术

在可再生能源发电系统中，大多数的可再生能源如太阳能、风能和燃料电池等，它们的输出直流电压一般都比较低，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。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，而最常用的是传统的Boost变换器，但是当要求输出电压增益很高时，就会使开关管的工作占空比接近于1，从而会导致过大的开关损耗，降低系统的整体效率。近几年提出的Z源升压DC-DC变换器，虽然利用Z源网络实现了升压，但是其电压增益仍有很大的提升空间，此外它还存在输入输出不共地、开关电压应力高等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种共地型高增益Z源DC-DC变换器。

本发明电路中具体包括输入直流电压源、输入二极管、高增益Z源阻抗网络、开关管、输出二极管、输出滤波电容和负载电阻；其中高增益Z源阻抗网络由第一电感、第一电容、第一二极管、第二电感、第二电容、第二二极管、第三电感、第三电容、第三二极管、第四电感、第四电容、第四二极管构成。

本发明电路的具体连接方式为：所述输入直流电压源的一端与输入二极管的阳极连接；所述输入二极管的阴极分别与第一电感的一端、第一电容的正极和输出二极管的阳极连接；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电阻的一端连接；所述第一电感的另一端分别与第一二极管的阳极和第三二极管的阳极连接；所述第三二极管的阴极分别与第三电感的一端和第三电容的正极连接；所述第三电感的另一端分别与第一二极管的阴极、第二电容的正极、第四电容的正极和开关管的漏极连接；所述开关管的源极分别与第一电容的负极、第三电容的负极、第二二极管的阳极和第四电感的一端连接；所述第四电感的另一端分别与第四电容的负极和第四二极管的阳极连接；所述第四二极管的阴极分别与第二二极管的阴极和第二电感的一端连接；所述第二电感的另一端分别与第二电容的负极、输出滤波电容的负极、输入直流电压源的负极和负载电阻的另一端连接。

该变换器稳态输出时的电压增益G为：

其中V_o表示变换器负载侧的输出电压，V_i为输入直流电压源的输入电压，D为占空比。

与现有技术相比本发明具有如下优点：无需额外的功率开关管，结构简单，控制方便；且相比于传统的Boost变换器(其输出电压增益为G＝1/(1-D))和Z源升压变换器(其对应的输出电压增益为G＝1/(1-2D))，在相同的输入电压和占空比的情况下，具有更高的输出电压增益为G＝2(1-D)²/(1-4D+2D²)。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实现将低输入电压升至高等级的输出电压，而且输入输出之间共地，开关应力较低以及效率高，因此本发明电路具有很广泛的应用前景。

附图说明

图1是实施方式中的一种共地型高增益Z源DC-DC变换器的电路图。

图2a是图1所示电路在开关管导通时，在一个开关周期内的主要工作模态图。

图2b是图1所示电路在开关管关断时，在一个开关周期内的主要工作模态图。

图3a是本发明实例中所述变换器与现有的其他高增益Z源变换器的增益对比曲线图。

图3b是以V_i＝20V，占空比D＝0.25为例给出的本发明实例中的电路的相关变量的仿真结果图。

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。

本实施例的基本拓扑结构和各主要元件的电压电流参考方向如图1所示。为了验证方便，在未特别说明的情况下，电路结构中的器件均视为理想器件。一种共地型高增益Z源DC-DC变换器，其包括输入直流电压源V_i、输入二极管D_in、高增益Z源阻抗网络、开关管S₁、输出二极管D_o、输出滤波电容C_o和负载电阻R_L；其中高增益Z源阻抗网络由第一电感L₁、第一电容C、第一二极管D₁、第二电感L₂、第二电容C₂、第二二极管D₂、第三电感L₃、第三电容C₃、第三二极管D₃、第四电感L₄、第四电容C₄、第四二极管D₄构成；

本实施例中设定开关管S₁的驱动信号为V_GS、第一电感L₁电流为i_L1、第二电感L₂电流为为i_L2、第三电感L₃电流为i_L3、第四电感L₄电流为i_L4、第一电容C₁电压为V_C1、第二电容C₂电压为V_C2、第三电容C₃电压为V_C3、第四电容C₄电压为V_C4，。并设定占空比为D，设定开关周期为T_s。

如图2a和图2b所示，一种共地型高增益Z源DC-DC变换器在一个开关周期(0,T_s)内，主要有两个不同阶段的工作模态，分别描述如下：

工作模态1(0<t<DT_s)：如图2a所示，开关管S₁开通，第一二极管D₁和第二二极管D₂导通，第三二极管D₃和第四二极管D₄反向截止，由于第一电容C₁的电压V_C1和第二电容C₂的电压V_C2之和大于输入直流电压源V_i，则输入二极管D_in反偏截止。则此时第一电容C₁通过第一二极管D₁和开关管S₁给第一电感L₁充电，第二电容C₂通过开关管S₁和第二二极管D₂给第二电感L₂充电，第三电容C₃通过开关管S₁给第三电感L₃充电，第四电容C₄通过开关管S₁给第四电感L₄充电。同时，第一电容C₁和第二电容C₂串联一起向输出滤波电容C_o和负载电阻R_L供电。

此工作模态下，相关电气参数关系式为：

V_{L1_on}＝V_C1，V_{L2_on}＝V_C2 (1)

V_{L3_on}＝V_C3，V_{L4_on}＝V_C4 (2)

V_o＝V_C1+V_C2 (3)

其中，V_L1-on,V_L2-on,V_L3-on,V_L4-on分别表示开关管S₁导通期间第一电感L₁，第二电感L₂，第三电感L₃，第四电感L₄两端的电压，V_o表示变换器负载侧的输出电压。

工作模态2(DT_s<t<T_s)：如图2b所示，开关管S₁关断，第一二极管D₁和第二二极管D₂关断，第三二极管D₃和第四二极管D₄导通，输入二极管D_in导通，输出二极管D_o关断。则此时输入直流电压源V_i与第二电感L₂、第四电感L₄串联向第一电容C₁充电，输入直流电源V_i与第一电感L₁、第三电感L₃串联一起向第二电容C₂充电，输入直流电源V_i与第一电感L₁、第二电感L₂、第四电感L₄串联向第三电容C₃充电，输入直流电源V_i与第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃串联向第四电容C₄充电。同时，输出滤波电容C_o向负载电阻R_L供电。此工作模态下，相关电气参数关系式为：

V_L2-off+V_L4-off＝V_i-V_C1 (4)

V_L1-off+V_L3-off＝V_i-V_C2 (5)

V_L1-off+V_L2-off+V_L4-off＝V_i-V_C3 (6)

V_L1-off+V_L2-off+V_L3-off＝V_i-V_C4 (7)

化简求得：

V_L1-off＝V_C1-V_C3 (8)

V_L2-off＝V_C2-V_C4 (9)

V_L3-off＝V_i-V_C1-V_C2+V_C3 (10)

V_L4-off＝V_i-V_C1-V_C2+V_C4 (11)

其中，V_L1-off,V_L2-off,V_L3-off,V_L4-off分别表示开关管S₁关断时第一电感L₁，第二电感L₂，第三电感L₃，第四电感L₄两端的电压。

根据以上分析，对第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃和第四电感L₄分别运用伏秒平衡原理，即电感电压在一个开关周期内的平均值为零，联立式(1)、(2)、(8)、(9)、(10)和(11)可得

DV_C1+(1-D)(V_C1-V_C3)＝0 (12)

DV_C2+(1-D)(V_C2-V_C4)＝0 (13)

DV_C3+(1-D)(V_i-V_C1-V_C2+V_C3)＝0 (14)

DV_C4+(1-D)(V_i-V_C1-V_C2+V_C4)＝0 (15)

则联立式(12)、(13)、(14)、(15)和(3)可求得稳态时电容电压和输出电压的表达式分别为：

则本发明实例所述一种共地型高增益Z源DC-DC变换器稳态输出时的电压增益G为：

如图3a所示为本发明实例电路的输出电压增益曲线与混合拓展准Z源变换器、开关电感Z源变换器和基于二极管二级拓展的准Z源变换器的电压增益曲线比较图。由图可知，本发明实例电路在占空比D不超过0.293的情况下，输出电压增益G就可以达到很大，明显高于其他DC-DC变换器拓扑结构的电压增益，且本发明电路的占空比D不会超过0.293。

图3b是以V_i＝20V，占空比D＝0.25为例给出了本发明实例电路中相关变量的仿真结果图。D＝0.25时，对应的输出电压增益G＝9，第一、第二电容电压(V_C1、V_C2)＝90V，第三、第四电容电压(V_C3、V_C4)＝120V，输出电压V_o＝180V。此外，图3b中还给出了第一、第二、第三、第四电感电流(i_L1、i_L2、i_L3、i_L4)的波形以及开关管S₁的驱动信号V_GS的波形，其中第一、第二电感电流相同，第三、第四电感电流相同。

综上所述，本发明实例提出的一种共地型高增益Z源DC-DC变换器，无需额外的功率开关管，结构简单，控制方便；且相比于其它学者提出的高增益Z源变换器，在相同的输入电压和占空比的情况下，具有更高的输出电压增益。即在相同的输入电压和输出电压条件下，本发明实例电路只需要较小的占空比就可以实现将低输入电压升至高等级的输出电压，而且输入与输出之间共地，开关应力较低，因此本发明电路具有很广泛的应用前景。

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 (3)

1.一种共地型高增益Z源DC-DC变换器，其特征在于包括输入直流电压源(V_i)、输入二极管(D_in)、高增益Z源阻抗网络、开关管(S₁)、输出二极管(D_o)、输出滤波电容(C_o)和负载电阻(R_L)；其中高增益Z源阻抗网络由第一电感(L₁)、第一电容(C)、第一二极管(D₁)、第二电感(L₂)、第二电容(C₂)、第二二极管(D₂)、第三电感(L₃)、第三电容(C₃)、第三二极管(D₃)、第四电感(L₄)、第四电容(C₄)、第四二极管(D₄)构成；所述输入直流电压源(V_i)的一端与输入二极管(D_in)的阳极连接；所述输入二极管(D_in)的阴极分别与第一电感(L₁)的一端、第一电容(C₁)的正极和输出二极管(D_o)的阳极连接；所述输出二极管(D_o)的阴极分别与输出滤波电容(C_o)的正极和负载电阻(R_L)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)的阳极和第三二极管(D₃)的阳极连接；所述第三二极管(D₃)的阴极分别与第三电感(L₃)的一端和第三电容(C₃)的正极连接；所述第三电感(L₃)的另一端分别与第一二极管(D₁)的阴极、第二电容(C₂)的正极、第四电容(C₄)的正极和开关管(S₁)的漏极连接；所述开关管(S₁)的源极分别与第一电容(C₁)的负极、第三电容(C₃)的负极、第二二极管(D₂)的阳极和第四电感(L₄)的一端连接；所述第四电感(L₄)的另一端分别与第四电容(C₄)的负极和第四二极管(D₄)的阳极连接；所述第四二极管(D₄)的阴极分别与第二二极管(D₂)的阴极和第二电感(L₂)的一端连接；所述第二电感(L₂)的另一端分别与第二电容(C₂)的负极、输出滤波电容(C_o)的负极、输入直流电压源(V_i)的负极和负载电阻(R_L)的另一端连接。

2.根据权利要求1所述的一种共地型高增益Z源DC-DC变换器，其特征在于当开关管开通，第一二极管和第二二极管导通，第三二极管和第四二极管反向截止，由于第一电容的电压和第二电容的电压之和大于输入直流电压源，则输入二极管反偏截止；此时第一电容通过第一二极管和开关管给第一电感充电，第二电容通过开关管和第二二极管给第二电感充电，第三电容通过开关管给第三电感充电，第四电容通过开关管给第四电感充电。同时，第一电容和第二电容串联一起向输出滤波电容和负载电阻供电；当开关管关断，第一二极管和第二二极管关断，第三二极管和第四二极管导通，输入二极管导通，输出二极管关断；此时输入直流电压源与第二电感、第四电感串联向第一电容充电，输入直流电源与第一电感、第三电感串联一起向第二电容充电，输入直流电源与第一电感、第二电感、第四电感串联向第三电容充电，输入直流电源与第一电感、第二电感、第三电感串联向第四电容充电；同时，输出滤波电容向负载电阻供电。

3.根据权利要求1所述的一种共地型高增益Z源DC-DC变换器，其特征在于稳态输出时的电压增益G为：

其中V_o表示变换器负载侧的输出电压，V_i为输入直流电压源的输入电压，D为占空比。