CN107425714A - 一种多级开关电感的前向电路拓扑及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多级开关电感的前向电路拓扑及其控制方法，包括n级开关电感，各级电感通过二级管连接，其中n>1,n为正整数；其中，开关电感包括电感L1、电感L2……电感Ln；二极管包括二极管D1、二极管D2……二极管D(n+5)；二极管D1、电感L1、二极管D2串联；二极管D4、电感L2、二极管D5串联…直至二极管D(n+1)、电感L(n‑1)、二极管D(n+2)串联；二极管D(n+4)、电感Ln、二极管D(n+5)串联,横向支路两端并联。本发明的开关结构具有无限制的多级延展性，通过改变级数n可以有效的调节选取所需最大升压增益；具有很强的可移植性；在结构上对称性强，不会给系统带来额外的控制负荷。
Description
技术领域
本发明属于电力电子领域，涉及一种多级开关电感前向电路拓扑，特别是一种多级开关电感的前向电路拓扑及其控制方法。
背景技术
在电力电子电能变换电路中，各种升压变换电路层出不穷，能够影响电路升压范围的拓扑结构层出不穷，但非隔离变换拓扑总会受限于其升压能力，如何提升电路升压能力，且不增加额外开关器件，是主要考虑的方向。
发明内容
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
综合考虑开关电感结构的升压储能优势，在不改变开关方式的基础上，提出一种多级开关电感的前向电路拓扑，并给出其控制方法。
一种多级开关电感的前向电路拓扑，其特征在于，包括n级开关电感，各级电感分别通过二级管连接，其中n>1,且n为正整数；其中，开关电感包括电感L1、电感L2……电感Ln；二极管包括二极管D1、二极管D2……二极管D(n+5)；其中，二极管D1、电感L1、二极管D2串联；二极管D4、电感L2、二极管D5串联…直至二极管D(n+1)、电感L(n-1)、二极管D(n+2)串联；二极管D(n+4)、电感Ln、二极管D(n+5)串联,各个横向支路两端并联。
二极管D3从电感L1和二极管D2之间接出，且以此节点为高电位，连接于二极管D4和电感L2之间；二极管D6从电感L2和二极管D5之间接出，且以此节点为高电位，连接于二极管D7和电感L3之间…二极管Dn从电感L(n-2)和二极管D(n-1)之间接出，且以此节点为高电位，连接于二极管D(n+1)和电感L(n-1)之间；二极管D(n+3)从电感L(n-1)和二极管D(n+2)之间接出，且以此节点为高电位，连接于二极管D(n+4)和电感Ln之间。
在上述的一种多级开关电感的前向电路拓扑及其控制方法，具体器件数目为，当为2级时，电感为L1、L2，二极管为D1、D2…D5；当为3级时，电感为L1、L2、L3，二极管为D1、D2…D8；当为n级时，电感为L1、L2、L3…Ln，二极管为D1、D2…D(3n-1)，即电感n个，二极管3n-1个，分为横向支路n级，中间纵向支路n-1条(不包含横向支路左右两边固定并联的两条)
在上述的一种多级开关电感的前向电路拓扑及其控制方法，具体应用时，以电感L1、L2…L(n-1)、L(n+1)所属横向支路两端分别并联，且中间以对应纵向支路二极管串联后构成整体，整体串联于回路中，左端接于应用电路高电位端(电源正极)，右端接由开关系统与负载并联而成的结构，最终接低电位端(电源负极)构成回路。
一种多级开关电感的前向电路拓扑控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，电路通电，包括开通所述一种多级开关电感的前向电路拓扑所在的整体电路电源，使系统处于通电状态；
步骤2，充电过程，中间纵向二极管均反向截止，仅横向支路两联与电路中，输入端电压并联于各个横向支路，对每个电感进行充电；
步骤3，放电过程，中间纵向二极管导通，各个电感串联导通，与输入端电压串联向负载供电；
步骤4，调节升压。根据上述的一种多级开关电感的前向电路拓扑及其控制方法所处的步骤2、步骤3中过程，根据单个电感能量守恒定律，求得不同t1、t2时间下拓扑的升压增益。
在上述的一种多级开关电感的前向电路拓扑控制方法，所述步骤2中，充电过程具体控制方法包括以下步骤：
步骤201，通过控制开关器件导通，假设导通时间为t1，使得所述多级开关电感的前向电路拓扑与输入端构成独立回路；
步骤202，所述多级开关电感的前向电路拓扑右端直接与电压低电位相接，储能电感L1、L2……Ln右边电位为低，使得中间纵向支路所在二极管输入端接低电位而截止，具体为二极管D3……Dn、D(n+3)反向截止，二极管D1、D4……D(n+1)、D(n+4)正向导通，二极管D2、D5……D(n+2)、D(n+5)正向导通；
步骤203，所述多级开关电感的前向电路拓扑横向支路并联于输入电压两端，假设输入电压为Vin,则各个电感值大小相同均为L，因此在导通时间t1内，流入单个电感电流为
在上述的一种多级开关电感的前向电路其控制方法，所述步骤3中，放电过程具体控制方法包括以下步骤：
步骤301，通过控制开关器件关断，假设关断时间为t2，使得所述多级开关电感的前向电路拓扑与负载串联，并共同和输入端构成回路。
步骤302，所述多级开关电感的前向电路拓扑右端直接与电压低电位相接，使得二极管D2、D5……D(n+2)、D(n+5)的输入端电压不再为0，使得中间纵向二极管D3……Dn、D(n+3)正向导通，由此造成流过二极管D(n+5)的电流最高，其右端电位由此变高，造成该右侧对应位置二极管D2、D5……D(n+2)均因为加反压而截止，其中仅二极管D(n+5)导通。而输入端电流经二极管D1之后流入L1随后流经D3接入二极管D4输出端，但由于电感L1放电作用，使得二极管D4输出端电压高于其输入端电压，由此二极管D4反向截止，因此二极管D4…D(n+1)、D(n+4)均因输出端电压大于输入端电压而反向截止。最终二极管D1,电感L1、L2……Ln,二极管D(n+5)串联，构成串联放电电路；
步骤303，所述多级开关电感的前向电路拓扑横向支路与负载共同串联于输入电压两端，假设输入电压为Vin,负载两端电压为Vout,各个电感值大小相同均为L，因此在时间t2内，流入单个电感电流为
在上述的一种多级开关电感的前向电路拓扑及其控制方法，所述步骤4中，放电过程具体控制方法包括以下步骤：
步骤401，可知在一个开关周期t1+t2内,流入单个电感其中的平均电流为0，即有经过化简可得
步骤402，假设一个开关周期T＝t1+t2，T为开关器件工作一个周期所需时间。则其中D表示开通占空比，即开关器件在单个工作周期中开通状态时间所占周期的比例。综合步骤402中公式可得其中n为上述的一种多级开关电感的前向电路拓扑中级数，也即电感个数；M表示上述的一种多级开关电感的前向电路拓扑的升压增益(输出电压与输入电压比值)。该公式表明可以通过调节本多级开关电感级数n和占空比D来进行升压增益M的调节。
因此，本发明具有如下优点：1.开关结构具有无限制的多级延展性，通过改变级数n可以有效的调节选取所需最大升压增益；2.所述一种多级开关电感的前向电路拓扑及其控制方法具有很强的可移植性，能够用于基本BOOST电路、Z源逆变器等多种需要升压的变换电路；3.所述一种多级开关电感的前向电路拓扑及其控制方法在结构上对称性强，所需控制不会随着级数增加而变的复杂，不会给系统带来额外的控制负荷。
附图说明
图1是本发明的拓扑结构图。
图2是本发明拓扑增加的单极拓扑。
图3是本发明处于充电状态器件导通状况。
图4是本发明处于放电状态器件导通状况。
图5a为具体应用于传统boost电路中的实例(n＝2)。
图5b为具体应用于传统boost电路中的实例(n＝3)。
图5c为具体应用于传统boost电路中的实例(n＝4)。
图6a为占空比D＝0.2时，2、3、4级开关电感前向Boost电路输出电压Vout示意图。
图6b为占空比D＝0.5时，2、3、4级开关电感前向Boost电路输出电压Vout示意图。
图6c为占空比D＝0.8时，2、3、4级开关电感前向Boost电路输出电压Vout示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
如图1为所述基本拓扑结构，具体横向支路：二极管D1、电感L1、二极管D2串联；二极管D4、电感L2、二极管D5串联…直至二极管D(n+1)、电感L(n-1)、二极管D(n+2)串联；二极管D(n+4)、电感Ln、二极管D(n+5)串联,各个横向支路两端并联。
具体中间纵向支路：二极管D3从电感L1和二极管D2之间接出，且以此节点为高电位，连接于二极管D4和电感L2之间；二极管D6从电感L2和二极管D5之间接出，且以此节点为高电位，连接于二极管D7和电感L3之间……二极管Dn从电感L(n-2)和二极管D(n-1)之间接出，且以此节点为高电位，连接于二极管D(n+1)和电感L(n-1)之间；二极管D(n+3)从电感L(n-1)和二极管D(n+2)之间接出，且以此节点为高电位，连接于二极管D(n+4)和电感Ln之间。
电感L1、L2…L(n-1)、L(n+1)所属横向支路两端分别并联，且中间以对应纵向支路二极管串联后构成整体，整体串联于回路中，左端接于应用电路高电位端(电源正极)，右端接由开关系统与负载并联而成的结构，最终接低电位端(电源负极)构成回路。
图2为单极开关电感单元，假定对应电感为Lm，其中2≤m≤n，则其基本结构为二极管D(m+1)、电感Lm、二极管D(m+2)串联，且二极管Dm负端接于二极管D(m+1)和电感Lm之间。该单元接于图1中省略号位置，是增加所述一种多级开关电感的前向电路拓扑级数的最小单元结构。
图3为所述一种多级开关电感的前向电路拓扑及其控制方法在充电状态下的器件导通状态示意图，储能电感L1、L2…Ln右边电位为低，使得中间纵向支路所在二极管输入端接低电位而截止，具体为二极管D3……Dn、D(n+3)反向截止，二极管D1、D4……D(n+1)、D(n+4)正向导通，二极管D2、D5……D(n+2)、D(n+5)正向导通；由此储能电感L1、L2……Ln所在的横向支路并联于输入电压两端。
图4为所述一种多级开关电感的前向电路拓扑及其控制方法在放电状态下的器件导通状态示意图，所述多级开关电感的前向电路拓扑右端直接与电压低电位相接，使得二极管D2、D5……D(n+2)、D(n+5)的输入端电压不再为0，使得中间纵向二极管D3……Dn、D(n+3)正向导通，由此造成流过二极管D(n+5)的电流最高，其右端电位由此变高，造成该右侧对应位置二极管D2、D5……D(n+2)均因为加反压而截止，其中仅二极管D(n+5)导通。而输入端电流经二极管D1之后流入L1随后流经D3接入二极管D4输出端，由于电感L1放电作用，使得二极管D4输出端电压高于其输入端电压，由此二极管D4反向截止，因此二极管D4………D(n+1)、D(n+4)均因输出端电压大于输入端电压而反向截止。最终二极管D1,电感L1、L2……Ln,二极管D(n+5)串联。
在由充放电过程中构成的一个周期里，假设输入电压为Vin,负载两端电压为Vout,各个电感值大小相同均为L，因此在导通时间t1内(充电过程)，流入单个电感电流为因此在时间t2内(放电过程)，流入单个电感电流为可知在一个开关周期t1+t2内,流入单个电感其中的平均电流为0，即有经过化简可得假设一个开关周期T＝t1+t2，T为开关器件工作一个周期所需时间；则其中D表示开通占空比，即开关器件在单个工作周期中开通状态时间所占周期的比例；带入可得其中n为上述的一种多级开关电感的前向电路拓扑中级数，也即电感个数；M表示上述的一种多级开关电感的前向电路拓扑的升压增益(输出电压与输入电压比值)。该公式表明可以通过调节本多级开关电感级数n和占空比D来进行升压增益M的调节。
图5为具体应用于传统boost电路中的实例,输入电压Vin＝10V,占空比D可调，电容C取值200uF，负载R取值5Ω，Vout为输出电压，图5a为n＝2时，即2级开关电感前向电路应用于Boost电路,电路在工作时，输出增益图5b为n＝3时，即3级开关电感前向电路应用于Boost电路，电路在工作时，输出增益图5c为n＝4时，即4级开关电感前向电路应用于Boost电路，电路在工作时，输出增益
图6a为占空比D＝0.2时，2、3、4级开关电感前向Boost电路输出电压Vout；图6b为占空比D＝0.5时，2、3、4级开关电感前向Boost电路输出电压Vout；图6c为占空比D＝0.8时，2、3、4级开关电感前向Boost电路输出电压Vout。各电路作用效果Matlab的仿真波形如图6所示，具体计算数值如表1所示，
表1不同占空比D条件下，多级开关电感输出增益M及电压Vout(输入电压Vin＝10V)
表2不同占空比D条件下，传统Boost输出增益M及电压Vout(输入电压Vin＝10V)
相比于传统Boost电路，在相同占空比作用下，应用多级开关电感前向电路后升压能力明显增强，可见随着开关电感级数(n)的增多，升压增益越大，输出电压越高。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (7)
1.一种多级开关电感的前向电路拓扑，其特征在于，包括n级开关电感，各级电感分别通过二级管连接，其中n>1,且n为正整数；其中，开关电感包括电感L1、电感L2……电感Ln；二极管包括二极管D1、二极管D2……二极管D(n+5)；其中，二极管D1、电感L1、二极管D2串联；二极管D4、电感L2、二极管D5串联…直至二极管D(n+1)、电感L(n-1)、二极管D(n+2)串联；二极管D(n+4)、电感Ln、二极管D(n+5)串联,各个横向支路两端并联；
二极管D3从电感L1和二极管D2之间接出，且以此节点为高电位，连接于二极管D4和电感L2之间；二极管D6从电感L2和二极管D5之间接出，且以此节点为高电位，连接于二极管D7和电感L3之间…二极管Dn从电感L(n-2)和二极管D(n-1)之间接出，且以此节点为高电位，连接于二极管D(n+1)和电感L(n-1)之间；二极管D(n+3)从电感L(n-1)和二极管D(n+2)之间接出，且以此节点为高电位，连接于二极管D(n+4)和电感Ln之间。
2.根据权利要求1所述的一种多级开关电感的前向电路拓扑及其控制方法，其特征在于，具体器件数目为，当为2级时，电感为L1、L2，二极管为D1、D2…D5；当为3级时，电感为L1、L2、L3，二极管为D1、D2…D8；当为n级时，电感为L1、L2、L3…Ln，二极管为D1、D2…D(3n-1)，即电感n个，二极管3n-1个，分为横向支路n级，中间纵向支路n-1条(不包含横向支路左右两边固定并联的两条)。
3.根据权利要求1所述的一种多级开关电感的前向电路拓扑及其控制方法，其特征在于，具体应用时，以电感L1、L2…L(n-1)、L(n+1)所属横向支路两端分别并联，且中间以对应纵向支路二极管串联后构成整体，整体串联于回路中，左端接于应用电路高电位端，右端接由开关系统与负载并联而成的结构，最终接低电位端构成回路。
4.一种多级开关电感的前向电路拓扑控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，电路通电，包括开通所述一种多级开关电感的前向电路拓扑所在的整体电路电源，使系统处于通电状态；
步骤2，充电过程，中间纵向二极管均反向截止，仅横向支路两联与电路中，输入端电压并联于各个横向支路，对每个电感进行充电；
步骤3，放电过程，中间纵向二极管导通，各个电感串联导通，与输入端电压串联向负载供电；
步骤4，调节升压；根据上述的一种多级开关电感的前向电路拓扑及其控制方法所处的步骤2、步骤3中过程，根据单个电感能量守恒定律，求得不同t1、t2时间下拓扑的升压增益。
5.根据权利要求4所述的一种多级开关电感的前向电路拓扑控制方法，其特征在于，所述步骤2中，充电过程具体控制方法包括以下步骤：
步骤201，通过控制开关器件导通，假设导通时间为t1，使得所述多级开关电感的前向电路拓扑与输入端构成独立回路；
步骤202，所述多级开关电感的前向电路拓扑右端直接与电压低电位相接，储能电感L1、L2……Ln右边电位为低，使得中间纵向支路所在二极管输入端接低电位而截止，具体为二极管D3…Dn、D(n+3)反向截止，二极管D1、D4…D(n+1)、D(n+4)正向导通，二极管D2、D5……D(n+2)、D(n+5)正向导通；
步骤203，所述多级开关电感的前向电路拓扑横向支路并联于输入电压两端，假设输入电压为Vin,则各个电感值大小相同均为L，因此在导通时间t1内，流入单个电感电流为
6.根据权利要求4所述的一种多级开关电感的前向电路拓扑控制方法，其特征在于，所述步骤3中，放电过程具体控制方法包括以下步骤：
步骤301，通过控制开关器件关断，假设关断时间为t2，使得所述多级开关电感的前向电路拓扑与负载串联，并共同和输入端构成回路；
步骤302，所述多级开关电感的前向电路拓扑右端直接与电压低电位相接，使得二极管D2、D5……D(n+2)、D(n+5)的输入端电压不再为0，使得中间纵向二极管D3……Dn、D(n+3)正向导通，由此造成流过二极管D(n+5)的电流最高，其右端电位由此变高，造成该右侧对应位置二极管D2、D5……D(n+2)均因为加反压而截止，其中仅二极管D(n+5)导通；而输入端电流经二极管D1之后流入L1随后流经D3接入二极管D4输出端，但由于电感L1放电作用，使得二极管D4输出端电压高于其输入端电压，由此二极管D4反向截止，因此二极管D4……D(n+1)、D(n+4)均因输出端电压大于输入端电压而反向截止；最终二极管D1,电感L1、L2……Ln,二极管D(n+5)串联，构成串联放电电路；
步骤303，所述多级开关电感的前向电路拓扑横向支路与负载共同串联于输入电压两端，假设输入电压为Vin,负载两端电压为Vout,各个电感值大小相同均为L，因此在时间t2内，流入单个电感电流为
7.根据权利要求4所述的一种多级开关电感的前向电路拓扑控制方法，其特征在于，所述步骤4中，放电过程具体控制方法包括以下步骤：
步骤401，可知在一个开关周期t1+t2内,流入单个电感其中的平均电流为0，即有经过化简可得
步骤402，假设一个开关周期T＝t1+t2，T为开关器件工作一个周期所需时间；则其中D表示开通占空比，即开关器件在单个工作周期中开通状态时间所占周期的比例；综合步骤402中公式可得其中n为上述的一种多级开关电感的前向电路拓扑中级数，也即电感个数；M表示上述的一种多级开关电感的前向电路拓扑的升压增益(输出电压与输入电压比值)；该公式表明可以通过调节本多级开关电感级数n和占空比D来进行升压增益M的调节。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20171201 |