CN107093953A - 一种z网络升压电路系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Z网络升压电路系统，包括用于进行第一级升压的第一Z网络、用于进行第二级升压的第二Z网络、开关切换电路、续流二极管和负载；第一Z网络与第二Z网络结构不同；开关切换电路包括切换二极管、第一储能电容、辅助电容和开关管。本发明通过采用两级Z型网络进行升压，且仅包含一个开关管，即保证了所需的升压增益，又提高了升压电路的稳定性。

Description

一种Z网络升压电路系统
技术领域
本发明涉及升压电路技术领域，特别是涉及一种Z网络升压电路系统。
背景技术
随着工业的快速发展，生活、生产对电力电子电路的要求日益苛刻，工业上也需要更高增益的升压电路，而传统的Boost电路已经无法满足工业的需要。通过多个Boost环节电路来级联升压的传统方法不仅成本高，而且由于开关管数目的增多，导致系统的稳定性下降，若其中一个环节崩溃，整个系统将会崩溃。
因此，如何提供一种稳定性高的Z网络升压电路系统是本领域技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种Z网络升压电路系统，通过采用两级Z型网络进行升压，且仅包含一个开关管，避免了多个开关管导致的系统稳定性低的缺点。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种Z网络升压系统，包括用于进行第一级升压的第一Z网络、用于进行第二级升压的第二Z网络、开关切换电路、续流二极管和负载；所述第一Z网络与所述第二Z网络结构不同；
所述开关切换电路包括切换二极管、第一储能电容、辅助电容和开关管；
所述第一Z网络的第一端连接电源正极，第二端分别连接所述切换二极管的阳极和所述辅助电容的第一端；
所述切换二极管的阴极分别连接所述第二Z网络的第一端和所述第一储能电容的第一端，所述第二Z网络的第二端与所述开关管的第一端、所述辅助电容的第二端和所述续流二极管的阳极连接于一点；
所述续流二极管的阴极连接负载的第一端，所述负载的第二端、所述开关管的第二端、所述第一储能电容的第二端共同连接至电源负极。
优选地，还包括：
与所述负载并接的第二储能电容。
优选地，所述第一Z网络或所述第二Z网络具体包括：
第一电感和第二电感、第一电容、第一二极管和第二二极管；
所述第一电感的第一端和所述第一二极管的阳极连接后作为Z网络的第一端；
所述第一电感的第二端分别连接所述第一电容的第一端和所述第二二极管的阳极；
所述第一二极管的阴极分别连接所述第二二极管的阴极和所述第二电感的第一端；
所述第二电感的第二端和所述第一电容的第二端连接后作为Z网络的第二端。
优选地，所述第一Z网络或所述第二Z网络具体包括：
第三电感和第四电感、第三二极管、第四二极管和第五二极管；
所述第三电感的第一端和所述第三二极管的阳极连接后作为Z网络的第一端；
所述第三电感的第二端与所述第四二极管的阳极和所述第五二极管的阳极连接于一点；
所述第三二极管的阴极、所述第五二极管的阴极和所述第四电感的第一端连接于一点；
所述第四电感的第二端和所述第四二极管的阴极连接后作为Z网络的第二端。
优选地，所述第一Z网络或所述第二Z网络具体包括：
第五电感和第六电感、第六二极管、第七二极管和第二电容；
所述第五电感的第一端和所述第六二极管的阳极连接后作为Z网络的第一端；
所述第五电感的第二端与所述第七二极管的阳极和所述第二电容的第一端连接于一点；
所述第六二极管的阴极、所述第二电容的第二端和所述第六电感的第一端连接于一点；
所述第六电感的第二端和所述第七二极管的阴极连接后作为Z网络的第二端。
优选地，所述第一Z网络或所述第二Z网络具体包括：
第七电感和第八电感、第八二极管、第九二极管和第三电容；
所述第七电感的第一端和所述第三电容的第一端连接后作为Z网络的第一端；
所述第七电感的第二端与所述第八二极管的阳极和所述第九二极管的阳极连接于一点；
所述第八二极管的阴极、所述第三电容的第二端和所述第八电感的第一端连接于一点；
所述第八电感的第二端和所述第九二极管的阴极连接后作为Z网络的第二端。
优选地，所述第一Z网络或所述第二Z网络具体包括：
第九电感和第十电感、第十二极管、第四电容和第五电容；
所述第九电感的第一端和所述第四电容的第一端连接后作为Z网络的第一端；
所述第九电感的第二端与所述第十二极管的阳极和所述第五电容的第一端连接于一点；
所述第四电容的第二端、所述第十二极管的阴极和所述第十电感的第一端连接于一点；
所述第十电感的第二端和所述第五电容的第二端连接后作为Z网络的第二端。
优选地，所述开关管为PMOS管，所述开关管的第一端为PMOS管的漏极，所述开关管的第二端为PMOS管的源极。
或所述开关管为NMOS管，所述开关管的第一端为NMOS管的源极，所述开关管的第二端为NMOS管的漏极。
本发明提供了一种Z网络升压电路系统，包括用于进行第一级升压的第一Z网络、用于进行第二级升压的第二Z网络、开关切换电路、续流二极管和负载；开关切换电路包括切换二极管、第一储能电容、辅助电容和开关管；第一Z网络与所述第二Z网络结构不同；本发明采用两个Z型网络进行级联升压，相比单个Boost电路增益更高，且本发明仅在开关切换电路内设置一个开关管，相比两个Boost电路级联的方式不仅成本低，且避免了多个开关管导致的稳定性下降的问题，电路稳定性高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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为本发明提供的第一种Z网络的结构示意图；
图2为本发明提供的第二种Z网络的结构示意图；
图3为本发明提供的第三种Z网络的结构示意图；
图4为本发明提供的第四种Z网络的结构示意图；
图5为本发明提供的第五种Z网络的结构示意图；
图6为本发明提供的一种Z网络升压电路系统的结构示意图；
图7为本发明提供的一种Z网络升压电路系统在开关管导通时的电路状态示意图；
图8为本发明提供的一种Z网络升压电路系统在开关管关断时的电路状态示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种Z网络升压电路系统，通过采用两级Z型网络进行升压，且仅包含一个开关管，避免了多个开关管导致的系统稳定性低的缺点。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种Z网络升压系统，参见图6所示，图6为本发明提供的一种Z网络升压电路系统的结构示意图。
该系统包括用于进行第一级升压的第一Z网络1、用于进行第二级升压的第二Z网络2、开关切换电路、续流二极管D0和负载R；第一Z网络1与第二Z网络2结构不同；
开关切换电路包括切换二极管D、第一储能电容Ca、辅助电容Cb和开关管Q；
第一Z网络1的第一端连接电源Vs正极，第二端分别连接切换二极管D的阳极和辅助电容Cb的第一端；
切换二极管D的阴极分别连接第二Z网络2的第一端和第一储能电容Ca的第一端，第二Z网络2的第二端与开关管Q的第一端、辅助电容Cb的第二端和续流二极管D0的阳极连接于一点；
续流二极管D0的阴极连接负载R的第一端，负载R的第二端、开关管Q的第二端、第一储能电容Ca的第二端共同连接至电源Vs负极。
作为优选地，该系统还包括：
与负载R并接的第二储能电容Cc。
可以理解的是，该储能电容与负载R并接，能够起到稳定负载R电压的目的。
在一种具体实施例中，参见图1所示，图1为本发明提供的第一种Z网络的结构示意图；
第一Z网络1或第二Z网络2具体包括：
第一电感L1和第二电感L2、第一电容C1、第一二极管D1和第二二极管D2；
第一电感L1的第一端和第一二极管D1的阳极连接后作为Z网络的第一端；
第一电感L1的第二端分别连接第一电容C1的第一端和第二二极管D2的阳极；
第一二极管D1的阴极分别连接第二二极管D2的阴极和第二电感L2的第一端；
第二电感L2的第二端和第一电容C1的第二端连接后作为Z网络的第二端。
在另一种具体实施例中，参见图2所示，图2为本发明提供的第二种Z网络的结构示意图；
第一Z网络1或第二Z网络2具体包括：
第三电感L3和第四电感L4、第三二极管D3、第四二极管D4和第五二极管D5；
第三电感L3的第一端和第三二极管D3的阳极连接后作为Z网络的第一端；
第三电感L3的第二端与第四二极管D4的阳极和第五二极管D5的阳极连接于一点；
第三二极管D3的阴极、第五二极管D5的阴极和第四电感L4的第一端连接于一点；
第四电感L4的第二端和第四二极管D4的阴极连接后作为Z网络的第二端。
在另一种具体实施例中，参见图3所示，图3为本发明提供的第三种Z网络的结构示意图；
第一Z网络1或第二Z网络2具体包括：
第五电感L5和第六电感L6、第六二极管D6、第七二极管D7和第二电容C2；
第五电感L5的第一端和第六二极管D6的阳极连接后作为Z网络的第一端；
第五电感L5的第二端与第七二极管D7的阳极和第二电容C2的第一端连接于一点；
第六二极管D6的阴极、第二电容C2的第二端和第六电感L6的第一端连接于一点；
第六电感L6的第二端和第七二极管D7的阴极连接后作为Z网络的第二端。
在另一种具体实施例中，参见图4所示，图4为本发明提供的第四种Z网络的结构示意图；
第一Z网络1或第二Z网络2具体包括：
第七电感L7和第八电感L8、第八二极管D8、第九二极管D9和第三电容C3；
第七电感L7的第一端和第三电容C3的第一端连接后作为Z网络的第一端；
第七电感L7的第二端与第八二极管D8的阳极和第九二极管D9的阳极连接于一点；
第八二极管D8的阴极、第三电容C3的第二端和第八电感L8的第一端连接于一点；
第八电感L8的第二端和第九二极管D9的阴极连接后作为Z网络的第二端。
在另一种具体实施例中，参见图5所示，图5为本发明提供的第五种Z网络的结构示意图；
第一Z网络1或第二Z网络2具体包括：
第九电感L9和第十电感L10、第十二极管D10、第四电容C4和第五电容C5；
第九电感L9的第一端和第四电容C4的第一端连接后作为Z网络的第一端；
第九电感L9的第二端与第十二极管D10的阳极和第五电容C5的第一端连接于一点；
第四电容C4的第二端、第十二极管D10的阴极和第十电感L10的第一端连接于一点；
第十电感L10的第二端和第五电容C5的第二端连接后作为Z网络的第二端。
可以理解的是，第一Z网络1与第二Z网络2均分别可以选用以上任一种结构，当然，第一Z网络1与第二Z网络2还可采用其他有源阻抗网络，本发明并不限定第一Z网络1与第二Z网络2的具体结构。
进一步可知，开关管Q为PMOS管，开关管Q的第一端为PMOS管的漏极，开关管Q的第二端为PMOS管的源极。
或开关管Q为NMOS管，开关管Q的第一端为NMOS管的源极，开关管Q的第二端为NMOS管的漏极。
为方便理解，以图6为例，采用图1中的结构作为第一Z网络1，采用图2中的结构作为第二Z网络2。本发明的工作过程如下：
阶段1：参见图7所示，图7为本发明提供的一种Z网络升压电路系统在开关管Q导通时的电路状态示意图；开关管Q导通时，此时二极管D1、D3、D4导通，二极管D2、D、D5、D0处于关断状态。电路形成单独的三个回路，分别是：
电源Vs对并联的电感L2支路和L1与电容C1的串联支路分别形成回路，电源Vs对电感L1和L2、电容C1和Cb进行充电；
电容Ca对并联的电感L3支路、L4支路分别形成回路，进行充电；
电容Cc与R形成回路，进行充电。
阶段2：参见图8所示，图8为本发明提供的一种Z网络升压电路系统在开关管Q关断时的电路状态示意图。开关管Q关断，此时二极管D2、D、D5、D0导通，二极管D1、D3、D4处于关断状态。电路形成两个级联的升压电路，分别是：
电源Vs与电感L1串联后，再与电感L2和电容C2并联支路串联，然后对电容Ca充电，完成第一级升压；
电容Ca与电感L3串联后再与电感L4串联，对电容Cc和负载R充电，完成第二次升压。
可以理解的是，阶段2中，第一个升压电路内，也会有部分电流为Cb充电，之后通过D0和R回到电源Vs负极，形成回路。此外，电容Cb还串联电感L3和电感L4形成回路。
另外，本发明的升压增益相比两个级联的Boost电路要高，以图6实施例为例，具体分析如下：
设开关管Q占空比为D，在一个周期内，输出电压为U0，得出以下的电压增益推导过程：
开关管Q导通期间：
电源Vs对并联的电感L2支路和L1与电容C1的串联支路分别形成回路，电源Vs对电感L1和L2、电容C1和Cb进行充电，可得到关系式：VL2＝Vs-VCb、VL1＝VL2-VC1＝Vs-VCb-VC1，导通时间为DT；
电感L3和L4分别并联于电容Ca两端，其电压等于电容Ca两端电压，可得到关系式：VL3＝VL4＝VCa，导通时间为DT。
开关管Q关断期间：
电源Vs与电感L1串联后，再与电感L2和电容C2并联支路串联，然后对电容Ca充电，可得到关系式：VL2＝VC1、VL1＝Vs-VL2-VCa＝Vs-VC1-VCa，导通时间为T-DT；
电容Ca与电感L3串联后再与电感L4串联，对电容Cc和负载R充电，电容Cb为电感L3和电感L4供电，可得到关系式：VCb＝VL3+VL4、VCa-(VL3+VL4)＝VCa-VCb＝VCc＝Uo，导通时间为T-DT。
由以上分析，根据电感伏秒数守恒原理，有：
对电感L1：(Vs-VCb-VC1)DT+(Vs-VC1-VCa)(1-D)T＝0；
对电感L2：(Vs-VCb)DT+VC1(1-D)T＝0；
对于电感L3和L4：2VCaDT+VCb(1-D)T＝0；
联立以上三个式子，可得到该电路的增益表达式为：
一般的Boost电路，其增益因子只为：两个级联的Boost电路，其增益因子为：通过比较可以得出本发明电路的增益因子明显高于级联的Boost电路的增益因子。
当然，当采用不同的Z网络结构时，电路整体的增益表达式不同，但是根据计算可知，本发明的增益均高于两个级联的Boost电路。
另外，本发明不限定各个电感和电容的各项参数值，实际应用中自行选择相应规格和类型的电感和电容。
本发明提供了一种Z网络升压电路系统，包括用于进行第一级升压的第一Z网络、用于进行第二级升压的第二Z网络、开关切换电路、续流二极管和负载；开关切换电路包括切换二极管、第一储能电容、辅助电容和开关管；第一Z网络与第二Z网络结构不同；本发明采用两个Z型网络进行级联升压，相比单个Boost电路增益更高，且本发明仅在开关切换电路内设置一个开关管，相比两个Boost电路级联的方式不仅成本低，且稳定性高。
以上的两种具体实施方式仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
本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。
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。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种Z网络升压系统，其特征在于，包括用于进行第一级升压的第一Z网络、用于进行第二级升压的第二Z网络、开关切换电路、续流二极管和负载；所述第一Z网络与所述第二Z网络结构不同；
所述开关切换电路包括切换二极管、第一储能电容、辅助电容和开关管；
所述第一Z网络的第一端连接电源正极，第二端分别连接所述切换二极管的阳极和所述辅助电容的第一端；
所述切换二极管的阴极分别连接所述第二Z网络的第一端和所述第一储能电容的第一端，所述第二Z网络的第二端与所述开关管的第一端、所述辅助电容的第二端和所述续流二极管的阳极连接于一点；
所述续流二极管的阴极连接负载的第一端，所述负载的第二端、所述开关管的第二端、所述第一储能电容的第二端共同连接至电源负极。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：
与所述负载并接的第二储能电容。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一Z网络或所述第二Z网络具体包括：
第一电感和第二电感、第一电容、第一二极管和第二二极管；
所述第一电感的第一端和所述第一二极管的阳极连接后作为Z网络的第一端；
所述第一电感的第二端分别连接所述第一电容的第一端和所述第二二极管的阳极；
所述第一二极管的阴极分别连接所述第二二极管的阴极和所述第二电感的第一端；
所述第二电感的第二端和所述第一电容的第二端连接后作为Z网络的第二端。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一Z网络或所述第二Z网络具体包括：
第三电感和第四电感、第三二极管、第四二极管和第五二极管；
所述第三电感的第一端和所述第三二极管的阳极连接后作为Z网络的第一端；
所述第三电感的第二端与所述第四二极管的阳极和所述第五二极管的阳极连接于一点；
所述第三二极管的阴极、所述第五二极管的阴极和所述第四电感的第一端连接于一点；
所述第四电感的第二端和所述第四二极管的阴极连接后作为Z网络的第二端。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一Z网络或所述第二Z网络具体包括：
第五电感和第六电感、第六二极管、第七二极管和第二电容；
所述第五电感的第一端和所述第六二极管的阳极连接后作为Z网络的第一端；
所述第五电感的第二端与所述第七二极管的阳极和所述第二电容的第一端连接于一点；
所述第六二极管的阴极、所述第二电容的第二端和所述第六电感的第一端连接于一点；
所述第六电感的第二端和所述第七二极管的阴极连接后作为Z网络的第二端。
6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一Z网络或所述第二Z网络具体包括：
第七电感和第八电感、第八二极管、第九二极管和第三电容；
所述第七电感的第一端和所述第三电容的第一端连接后作为Z网络的第一端；
所述第七电感的第二端与所述第八二极管的阳极和所述第九二极管的阳极连接于一点；
所述第八二极管的阴极、所述第三电容的第二端和所述第八电感的第一端连接于一点；
所述第八电感的第二端和所述第九二极管的阴极连接后作为Z网络的第二端。
7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一Z网络或所述第二Z网络具体包括：
第九电感和第十电感、第十二极管、第四电容和第五电容；
所述第九电感的第一端和所述第四电容的第一端连接后作为Z网络的第一端；
所述第九电感的第二端与所述第十二极管的阳极和所述第五电容的第一端连接于一点；
所述第四电容的第二端、所述第十二极管的阴极和所述第十电感的第一端连接于一点；
所述第十电感的第二端和所述第五电容的第二端连接后作为Z网络的第二端。
8.根据权利要求1-7任一项所述的系统，其特征在于，所述开关管为PMOS管，所述开关管的第一端为PMOS管的漏极，所述开关管的第二端为PMOS管的源极；
或所述开关管为NMOS管，所述开关管的第一端为NMOS管的源极，所述开关管的第二端为NMOS管的漏极。
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