CN106981987A - 一种基于开关电容电感的直流升压变换器及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于开关电容电感的直流升压变换器，包括公共开关管、直流电压源和n个串联连接的开关电容电感单元，开关电容电感单元包括第一电感器，第一电容器、第二电容器、第一二极管、第二二极管和第三二极管。基于开关电容电感的直流升压变换器之所以具有较高的电压增益是因为，既可以通过改变开关电容电感单元的数量来改变该电压增益，也可以通过控制公共开关管的导通占空比来调节该电压增益。因此，能够克服现有技术中单纯依靠占空比来提高电压增益所带来的局限性，而且结构简单，所用器件成本较低。

Description

一种基于开关电容电感的直流升压变换器及系统
技术领域
本发明涉及变换器技术领域，特别是涉及一种基于开关电容电感的直流升压变换器及系统。
背景技术
随着光伏发电和燃料电池等分布式发电系统的发展和普及，高升压比直流变换器越来越受到重视。对于升压变换器来说，其电压增益是一个重要的参数。
现有技术中，为了提高电压增益，通常有如下两种方法，一种是提高升压变换器的占空比，即当升压变换器的占空比足够大时可以达到很高的电压增益；另一种方法是利用具有高匝数比的变压器或耦合电感来实现。
上述两种方法中，前者在实际应用中由于器件的电压电流压力和损耗的限制，升压变换器的占空比通常不会大于0.8，单纯依靠占空比来提高电压增益具有局限性；后者由于高匝数比变压器和耦合电感的设计较难且损耗很大，因此，也无法满足实际需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于开关电容电感的直流升压变换器，既可以通过改变开关电容电感单元的数量来改变该电压增益，也可以通过控制公共开关管的导通占空比来调节该电压增益。因此，能够克服现有技术中单纯依靠占空比来提高电压增益所带来的局限性，而且结构简单，所用器件成本较低。另外，本发明的目的还提供一种基于开关电容电感的直流升压变换系统。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于开关电容电感的直流升压变换器，包括公共开关管、直流电压源和n个串联连接的开关电容电感单元，所述开关电容电感单元包括第一电感器，第一电容器、第二电容器、第一二极管、第二二极管和第三二极管；
其中，所述第一二极管的阳极分别与所述第一电容器的负极和所述第一电感器的第一端连接，所述第二二极管的阴极与所述第一电容器的正极连接，所述第二电容器的正极分别与所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阳极连接，所述第二电容器的负极分别与所述第一电感器的第二端和所述第三二极管的阳极连接；
首端的所述开关电容电感单元的第一电容器的负极与所述直流电压源的正极连接，末端的所述开关电容电感单元的第一电容器的正极与负载连接，所述公共开关管的第一端分别与所述直流电压源的负极和所述负载连接，各所述第三二极管的阴极均与所述公共开关管的第二端连接，所述公共开关管的控制端通过驱动电路与控制器连接，n为正整数。
优选地，所述开关电容电感单元还包括谐振电感器，所述谐振电感器的第一端与所述第二电容器的正极连接，第二端分别与所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阳极连接。
优选地，所述公共开关管为N沟道电力场效应晶体管。
优选地，所述公共开关管为P沟道电力场效应晶体管。
优选地，所述公共开关管为绝缘栅双极型晶体管。
为解决上述技术问题，本发明提供一种直流升压变换系统，包括负载，驱动电路和控制器，还包括所述的基于开关电容电感的直流升压变换器。
优选地，所述负载的数量为n个。
本发明所提供的基于开关电容电感的直流升压变换器，包括公共开关管、直流电压源和n个串联连接的开关电容电感单元，开关电容电感单元包括第一电感器，第一电容器、第二电容器、第一二极管、第二二极管和第三二极管。基于开关电容电感的直流升压变换器之所以具有较高的电压增益是因为，既可以通过改变开关电容电感单元的数量来改变该电压增益，也可以通过控制公共开关管的导通占空比来调节该电压增益。因此，能够克服现有技术中单纯依靠占空比来提高电压增益所带来的局限性，而且结构简单，所用器件成本较低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于开关电容电感的直流升压变换器的电路图；
图2为本发明实施例提供的一种图1所示的电路在公共开关管S导通时对应的电路图；
图3为本发明实施例提供的一种图1所示的电路在公共开关管S关断时对应的电路图；
图4为本发明实施例提供的一种图1所示的电路在任意一个第一电感器Li工作在电流断续状态时对应的电路图；
图5为本发明实施例提供的一种图1所示的电路在第一电感器Li全部工作在电流断续状态时对应的电路图；
图6为本发明实施例提供的另一种基于开关电容电感的直流升压变换器的电路图；
图7为本发明实施例提供的一种直流升压变换系统的电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
本发明的核心是提供一种基于开关电容电感的直流升压变换器，既可以通过改变开关电容电感单元的数量来改变该电压增益，也可以通过控制公共开关管的导通占空比来调节该电压增益。因此，能够克服现有技术中单纯依靠占空比来提高电压增益所带来的局限性，而且结构简单，所用器件成本较低。另外，本发明的目的还提供一种基于开关电容电感的直流升压变换系统。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明实施例提供的一种基于开关电容电感的直流升压变换器的电路图。包括公共开关管S、直流电压源Vin和n个串联连接的开关电容电感单元10，开关电容电感单元10包括第一电感器Li，第一电容器Ci1、第二电容器Ci2、第一二极管Di1、第二二极管Di2和第三二极管Di3；
其中，第一二极管Di1的阳极分别与第一电容器Ci1的负极和第一电感器Li的第一端连接，第二二极管Di2的阴极与第一电容器Ci1的正极连接，第二电容器Ci2的正极分别与第一二极管Di1的阴极和第二二极管Di2的阳极连接，第二电容器Ci2的负极分别与第一电感器Li的第二端和第三二极管Di3的阳极连接；
首端的开关电容电感单元10的第一电容器Ci1的负极与直流电压源Vin的正极连接，末端的开关电容电感单元10的第一电容器Ci1的正极与负载R连接，公共开关管S的第一端分别与直流电压源Vin的负极和负载R连接，各第三二极管Di3的阴极均与公共开关管S的第二端连接，公共开关管S的控制端通过驱动电路与控制器连接，n为正整数。
需要说明的是，i为从1到n的正整数，上述开关电容电感单元10数量可以不唯一，即开关电容电感单元10数量可以为大于或等于1的正整数。需要进一步说明的是，当上述开关电容电感单元10的数量不唯一时，具体连接方式包括：第k个开关电容电感单元10中的中第一电容器Ci1的正极与第k+1个开关电容电感单元10的第一电容器Ci1的负极连接，其中，k为小于或等于n-1的正整数。
可以理解的是，本发明公开的变换器的输出电压为直流电压源Vin和n个开关电容电感单元10中所有的第一电容器Ci1的电压之和。公共开关管S的控制端通过驱动电路与控制器连接，通过调节公共开关管S的导通占空比可以连续调节电压增益。另外，不同数量的开关电容电感单元10为可以带来不同的电压增益。为了进一步对本发明的方案进行说明，故提供下述具体的实施例以供本领域技术人员进行参考。
公共开关管S的控制端通过驱动电路与控制器连接，公共开关管S高频交替工作在导通和关断两种状态。
1)当公共开关管S开通
图2为本发明实施例提供的一种图1所示的电路在公共开关管S导通时对应的电路图。n个开关电容电感单元10的第i个开关电容电感单元10中第一二极管Di1和第三二极管Di3导通，第二二极管Di2截止；直流电压源Vin和n个开关电容电感单元10的第1个至第i-1个开关电容电感单元10中的所有第一电容器Ci1～C(i-1)1一起同时给n个开关电容电感单元10的第i个开关电容电感单元10中的第一电感器Li和第二电容器Ci2充电，于是第一电感器Li和第二电容器Ci2的电压分别用公式(1)和(2)描述：
VLi(S_ON)＝Vin+VC11+…+VC(i-1)1 (1)
VCi2＝Vin+VC11+…+VC(i-1)1 (2)
2)当公共开关管S关断
图3为本发明实施例提供的一种图1所示的电路在公共开关管S关断时对应的电路图。n个开关电容电感单元10的第i个开关电容电感单元10中第一二极管Di1和第三二极管Di3截止，第二二极管Di2导通；n个开关电容电感单元10的第i个开关电容电感单元10中的第一电感器Li和第二电容器Ci2串联后向第一电容器Ci1放电，于是第一电感器Li的电压可以用公式(3)描述：
VLi(S_OFF)＝VCi1-VCi2 (3)
随着如图2和图3所示的两种工作状态的高频交替操作，稳定状态下第一电感器Li必须满足伏秒平衡，于是n个开关电容电感单元10的第i个开关电容电感单元10中第一电容器Ci1的电压可以根据公式(1)和(3)推导，结果用公式(4)表示，式中d为公共开关管S的导通占空比。
VCi1＝[Vin+VC11+…+VC(i-1)1]/(1-d) (4)
于是，所述n个开关电容电感单元10的所有开关电容电感单元10中的第一电容器Ci1～Cn1的电压可分别用公式(5.1)到(5.n)具体描述：
VC11＝Vin/(1-d) (5.1)
VC21＝Vin/(1-d)+Vin/(1-d)2 (5.2)
VC31＝Vin/(1-d)+2Vin/(1-d)2+Vin/(1-d)3 (5.3)
VC41＝Vin/(1-d)+3Vin/(1-d)2+2Vin/(1-d)3+Vin/(1-d)4 (5.4)
VCi1＝Vin/(1-d)+[(i-1)Vin]/(1-d)2+[(i-2)Vin]Vin/(1-d)3+…+2Vin/(1-d)i-1+Vin/(1-d)i
(5.i)
VCn1＝Vin/(1-d)+[(n-1)Vin]/(1-d)2+[(n-2)Vin]Vin/(1-d)3+…+[(n+1-i)Vin]/(1-d)i+…+2Vin/(1-d)n-1+Vin/(1-d)n (5.n)
在该实施例中，高升压比直流变换器的输出电压VO为直流电压源Vin电压与n个开关电容电感单元10的所有开关电容电感单元10中的第一电容器Ci1～Cn1的电压之和，所以该实施例中高升压比直流变换器的理想电压增益用公式(6)描述：
VO/Vin＝1+n/(1-d)+[n(n-1)]/[2(1-d)2]+…+[(n+2-i)(n+1-i)]/[2(1-d)i]+…+3/(1-d)n-1+1/(1-d)n (6)
需要说明的是，公式(3)、(4)和(5.1)到(5.n)所描述的电容器和电感器的电压，以及公式(6)所描述的理想电压增益均是指在n个开关电容电感单元10中所有电感器均工作在电流连续模式下的电压和理想电压增益。
作为可选方案，n个开关电容电感单元10的第i个开关电容电感单元10的第一电感器Li可以工作在电流断续状态，其工作模态如图4所示。图4为本发明实施例提供的一种图1所示的电路在任意一个第一电感器Li工作在电流断续状态时对应的电路图。
作为可选方案，n个开关电容电感单元10所有第一电感器Li可以全部工作在电流断续状态，其工作模态如图5所示。图5为本发明实施例提供的一种图1所示的电路在第一电感器Li全部工作在电流断续状态时对应的电路图。
本实施例提供的基于开关电容电感的直流升压变换器之所以具有较高的电压增益是因为，既可以通过改变开关电容电感单元的数量来改变该电压增益，也可以通过控制公共开关管的导通占空比来调节该电压增益。因此，能够克服现有技术中单纯依靠占空比来提高电压增益所带来的局限性，而且结构简单，所用器件成本较低。
图6为本发明实施例提供的另一种基于开关电容电感的直流升压变换器的电路图。在上述实施例的基础上，开关电容电感单元10还包括谐振电感器Lri，谐振电感器Lri的第一端与第二电容器Ci2的正极连接，第二端分别与第一二极管Di1的阴极和第二二极管Di2的阳极连接。
在具体实施中，为了减小n个开关电容电感单元10的第i个开关电容电感单元10的第二电容器Ci2在全控开关S导通瞬间的充电电流脉冲对器件的影响和消除其引起的电磁干扰，在图1的基础上，还包括谐振电感器Lri。
可以理解的是，图1所示的公共开关管S的类型可以根据电路实际情况任意选取，可以为N沟道电力场效应晶体管、P沟道电力场效应晶体管或公共开关管S为绝缘栅双极型晶体管。除了上述几种外，还可以为其他类型，本发明不再赘述。
若公共开关管S为N沟道电力场效应晶体管，则N沟道电力场效应晶体管的栅极作为公共开关管S的控制端，N沟道电力场效应晶体管的源极作为公共开关管S的第一端，N沟道电力场效应晶体管的漏极作为公共开关管S的第二端。
若公共开关管S为P沟道电力场效应晶体管，则P沟道电力场效应晶体管的栅极作为公共开关管S的控制端，P沟道电力场效应晶体管的漏极作为公共开关管S的第一端，P沟道电力场效应晶体管的源极作为公共开关管S的第二端。
若公共开关管S为绝缘栅双极型晶体管，则绝缘栅双极型晶体管的门极作为公共开关管S的控制端，绝缘栅双极型晶体管的集电极作为公共开关管S的第一端，绝缘栅双极型晶体管的发射极作为公共开关管S的第二端。
上述实施例中，对于基于开关电容电感的直流升压变换器进行了详细说明，本发明还提供的一种包含该变换器的系统。一种直流升压变换系统，包括负载R，驱动电路和控制器，还包括上述实施例所述的基于开关电容电感的直流升压变换器。对于直流升压变换系统的实施例，本发明不再赘述。
在其中一种实施例中，负载R的数量为n个，即负载R的数量与开关电容电感单元10的数量相同。图7为本发明实施例提供的一种直流升压变换系统的电路图。多个负载R中第i个负载Ri的一端与直流电压源Vin的负极连接，另一端与n个开关电容电感单元10的第i个开关电容电感单元10的第一电容器Ci1的正极连接。
以上对本发明所提供的基于开关电容电感的直流升压变换器及系统，进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (7)

1.一种基于开关电容电感的直流升压变换器，其特征在于，包括公共开关管、直流电压源和n个串联连接的开关电容电感单元，所述开关电容电感单元包括第一电感器，第一电容器、第二电容器、第一二极管、第二二极管和第三二极管；
其中，所述第一二极管的阳极分别与所述第一电容器的负极和所述第一电感器的第一端连接，所述第二二极管的阴极与所述第一电容器的正极连接，所述第二电容器的正极分别与所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阳极连接，所述第二电容器的负极分别与所述第一电感器的第二端和所述第三二极管的阳极连接；
首端的所述开关电容电感单元的第一电容器的负极与所述直流电压源的正极连接，末端的所述开关电容电感单元的第一电容器的正极与负载连接，所述公共开关管的第一端分别与所述直流电压源的负极和所述负载连接，各所述第三二极管的阴极均与所述公共开关管的第二端连接，所述公共开关管的控制端通过驱动电路与控制器连接，n为正整数。
2.根据权利要求1所述的基于开关电容电感的直流升压变换器，其特征在于，所述开关电容电感单元还包括谐振电感器，所述谐振电感器的第一端与所述第二电容器的正极连接，第二端分别与所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阳极连接。
3.根据权利要求1所述的基于开关电容电感的直流升压变换器，其特征在于，所述公共开关管为N沟道电力场效应晶体管。
4.根据权利要求1所述的基于开关电容电感的直流升压变换器，其特征在于，所述公共开关管为P沟道电力场效应晶体管。
5.根据权利要求1所述的基于开关电容电感的直流升压变换器，其特征在于，所述公共开关管为绝缘栅双极型晶体管。
6.一种直流升压变换系统，包括负载，驱动电路和控制器，其特征在于，还包括权利要求1-5任意一项所述的基于开关电容电感的直流升压变换器。
7.根据权利要求6所述的直流升压变换系统，其特征在于，所述负载的数量为n个。
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