CN109698618B - 耦合电感升压单元实现的高增益boost变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于耦合电感升压单元实现的高增益boost变换器及其控制方法，包括耦合电感、功率开关管、箝位电路、升压电路和输出滤波电路，耦合电感的原边线圈连接输入电源V_in，箝位电路前端连接耦合电感原边线圈，后端连接升压单元，耦合电感副边线圈连接在升压电路内，滤波电路连接在升压电路后端，功率开关管的栅极连接变换器控制信号电压V_gs，源极连接输入电源V_in的负极，漏极连接至耦合电感的原边线圈与箝位电路之间。本发明能以较小的占空比可以实现增益较大幅度的提高。

Description

耦合电感升压单元实现的高增益boost变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于耦合电感升压单元实现的高增益boost变换器，属于电力电子变换器领域。

背景技术

近年来，雾霾天气强度、影响范围和持续时间的增加，导致清洁能源的主导作用日益增强，比如风力发电、光伏发电等新能源发电系统。国家电网系统正在推行的光伏系统安装，也受到用户的热烈好评。但是，这些新能源系统有个共性的特点就是输出电压偏低，无法为后级提供足够高的直流电压输入，这需要高增益直流变换器提升直流电压。常见的电压提升技术包括耦合电感、开关电容等，然而，基于这些技术所构造的高增益直流变换器拓扑均存在部分器件电压应力较高，部分器件电压应力较低，没法降低整个变换器的电压应力，只能实现变换器整体性能的折中性提升。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于耦合电感升压单元实现的高增益boost变换器，增益高和功率开关管的电压应力小。

为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：耦合电感升压单元实现的高增益boost变换器，包括耦合电感、功率开关管、箝位电路、升压电路和输出滤波电路，耦合电感的原边线圈连接输入电源V_in，箝位电路前端连接耦合电感原边线圈，后端连接升压电路，耦合电感副边线圈连接在升压电路内，滤波电路连接在升压电路后端，功率开关管的栅极连接变换器控制信号电压V_gs，源极连接输入电源V_in的负极，漏极连接至耦合电感的原边线圈与箝位电路之间。

进一步的，耦合电感包括耦合电感原边绕组N₁、耦合电感副边绕组N₂；箝位电路包括箝位二极管D_c和箝位电容C_c；升压电路包括第一升压二极管D₁、第二升压二极管D₂、第三升压二极管D₃、第一升压电容C₁、第二升压电容C₂；输出滤波电路包括输出二极管D_o、第一输出电容C_o1和第二输出电容C_o2；耦合电感原边绕组N₁一端和输入电源V_in正极连接；另一端与功率开关管S的漏极和箝位二极管D_c阳极连接；箝位二极管D_c阴极、箝位电容C_c一端和第一升压二极管D₁阳极连接；第一升压二极管D₁阴极、第一升压电容C₁一端和第二升压二极管D₂阳极连接；第一升压电容C₁另一端、第二升压电容C₂一端和耦合电感副边绕组N₂一端连接；耦合电感副边绕组N₂另一端、第二升压二极管D₂阴极、第三升压二极管D₃阳极和第二输出电容C_o2一端连接；第二升压电容C₂另一端、第三升压二极管D₃阴极和输出二级管D_o阳极连接；输出二级管D_o阴极和第一输出电容C_o1一端连接；第一输出电容C_o1另一端、第三升压二极管D₃阳极和第二输出电容C_o2一端连接；第二输出电容C_o2另一端、箝位电容C_c另一端、功率开关管S的源极和输入电源V_in负极连接。

进一步的，第一输出电容C_o1和第二输出电容C_o2的两端为输出端，负载R并接在变换器的输出端。

进一步的，功率开关管S为MOSFET管。

本发明的有益效果：功率开关管和二极管的电压应力较低，升压电容、箝位电容和输出电容的电压应力均降低，变换器体积减小；较小的占空比可以实现增益较大幅度的提高。

附图说明

图1为耦合电感升压单元实现的高增益boost变换器的电路原理图；

图2为耦合电感升压单元实现的高增益boost变换器的模态图；

图3(a)为耦合电感升压单元实现的高增益boost变换器开关模态1的等效电路图；

图3(b)为耦合电感升压单元实现的高增益boost变换器开关模态2的等效电路图；

图3(c)为耦合电感升压单元实现的高增益boost变换器开关模态3的等效电路图；

图4为各个器件电压应力与输出电压的比值；其中图4(a)为各个器件电压应力与输出电压的匝比，图4(b)为各个器件电压应力与输出电压的占空比；

图5为当输入电压V_in＝48V，输出电压V_o＝400V时的实验波形图；

图中标号说明：V_in为输入电源，S为功率开关管，耦合电感原边绕组N₁、耦合电感副边绕组N₂；第一升压二极管D₁、第二升压二极管D₂、第三升压二极管D₃、箝位二极管D_c、输出二极管D_o、第一升压电容C₁、第二升压电容C₂、箝位电容C_c、第一输出电容C_o1、第二输出电容C_o2,R为负载，L_M为磁化电感，L_k为耦合电感漏感。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

本实施例公开一种基于耦合电感升压单元实现的高增益boost变换器，如图1所示，包括耦合电感、功率开关管、箝位电路、升压电路和输出滤波电路，耦合电感的原边线圈连接输入电源V_in，箝位电路前端连接耦合电感原边线圈，后端连接升压电路，耦合电感副边线圈连接在升压电路内，滤波电路连接在升压电路后端，功率开关管的栅极连接变换器控制信号电压V_gs，源极连接输入电源V_in的负极，漏极连接至耦合电感的原边线圈与箝位电路之间。

本实施例中，耦合电感包括耦合电感原边绕组N₁、耦合电感副边绕组N₂；箝位电路包括箝位二极管D_c和箝位电容C_c；升压电路包括第一升压二极管D₁、第二升压二极管D₂、第三升压二极管D₃、第一升压电容C₁、第二升压电容C₂；输出滤波电路包括输出二极管D_o、第一输出电容C_o1和第二输出电容C_o2；耦合电感原边绕组N₁一端和输入电源V_in正极连接；另一端与功率开关管S的漏极和箝位二极管D_c阳极连接；箝位二极管D_c阴极、箝位电容C_c一端和第一升压二极管D₁阳极连接；第一升压二极管D₁阴极、第一升压电容C₁一端和第二升压二极管D₂阳极连接；第一升压电容C₁另一端、第二升压电容C₂一端和耦合电感副边绕组N₂一端连接；耦合电感副边绕组N₂另一端、第二升压二极管D₂阴极、第三升压二极管D₃阳极和第二输出电容C_o2一端连接；第二升压电容C₂另一端、第三升压二极管D₃阴极和输出二级管D_o阳极连接；输出二级管D_o阴极和第一输出电容C_o1一端连接；第一输出电容C_o1另一端、第三升压二极管D₃阳极和第二输出电容C_o2一端连接；第二输出电容C_o2另一端、箝位电容C_c另一端、功率开关管S的源极和输入电源V_in负极连接。

本实施例中，第一输出电容C_o1和第二输出电容C_o2的两端为输出端，负载R并接在变换器的输出端。

本实施例中，功率开关管S为MOSFET管。

本实施例所述boost变换器的工作原理及工作过程为：

本实施例基于耦合电感升压单元实现的高增益boost变换器控制信号电压V_gs、耦合电感原边绕组漏感电流i_LK、耦合电感副边绕组电流i_N2，箝位二极管电流i_Dc、第一升压二极管电流i_D1、第二升压二极管电流i_D2、第三升压二极管电流i_D3、输出二极管电流i_Do、功率开关管电流i_s的波形如图2所示，其工作过程分为3个开关模态，分别为开关模态1至开关模态3，具体描述如下：

开关模态1，对应图2中的[t₀,t₁]：等效电路如图3(a)所示，t₀时刻开通功率开关管S，耦合电感原边绕组漏感电流和耦合电感副边绕组电流i_LK、i_N2上升；第二升压二极管电流i_D2上升，为第一升压电容充电，输出二极管电流i_Do上升，为第一输出电容充电，功率开关管电流i_S上升，第一输出电容C_o1和第二输出电容C_o2为负载R供电。t₁时刻，功率开关管S关断。

开关模态2，对应图2中的[t₁,t₂]：等效电路如图3(b)所示，耦合电感原边绕组漏感电流i_LK下降，耦合电感副边绕组电流i_N2反向上升；第一箝位二极管电流i_Dc下降，箝位电容吸收耦合电感原边绕组漏感能量，第一升压二极管电流i_D1上升。输入电源V_in、耦合电感、第一升压电容C₁共同转移能量到第二输出电容C_o2，第一输出电容C_o1和第二输出电容C_o2为负载R供电。t₂时刻，箝位二极管电流i_Dc下降至零，开关模态2结束。

开关模态3，对应图2中的[t₂,t₃]：等效电路如图3(c)所示，耦合电感副边绕组、第一升压电容C₁和箝位电容共同为第二输出电容充电，第三升压二极管电流i_D3上升，耦合电感副边绕组为第二升压电容充电。同时，第一输出电容C_o1和第二输出电容C_o2为负载R供电。当功率开关管S导通时，新的开关周期开始。

由模态1，线圈N1的电压表达式为：

V_N1＝V_in，NV_N1＝V_C1,NV_N1+V_C2＝V_C01,

由模态2，线圈N1的电压表达式为：

V_N1+V_Cc＝V_in，NV_N1+V_C01＝V_C1+V_Cc,

由模态3，线圈N1的电压表达式为：

NV_N1+V_C2＝0，

结合模态1,2和3，对线圈N1应用伏秒平衡原理，

推导得出以下电压表达式：

V_C1＝NV_in，

由上述分析可得增益表达式为：

其中D为功率开关管的导通占空比，N＝N₂/N₁为耦合电感副边绕组与耦合电感原边绕组的匝数比。

在传统的高增益直流变换器中，各种升压技术的使用大大提升了变换器的增益，这些变换器在增益提升的同时，在某些器件上提升了性能，必然降低了其它器件的性能，无法实现变换器所有器件性能的提升。在本变换器中，电压增益可以实现大幅度提升的同时，降低了变换器所有器件的电压应力，由于输出电容包括两个电容，也大大降低了每个输出电容的电压应力，这样优化了所有器件的性能，大大提升了变换器性能。图4有效的说明了以上表述所有器件电压应力的下降。

下面通过具体的Pspice仿真实例说明采用本发明结构的有益效果：

如图5所示，输入电压V_in＝48V，电压增益M为8.3，耦合电感匝比为2，输出功率为400W，各个器件的电流波形如图所示。从图中可以看出，箝位二极管自然关断，这可以有效的提高效率。

以上描述的仅是本发明的基本原理和优选实施例，本领域技术人员根据本发明做出的改进和替换，属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.耦合电感升压单元实现的高增益boost变换器，其特征在于：包括耦合电感、功率开关管、箝位电路、升压电路和输出滤波电路，耦合电感的原边线圈连接输入电源V_in，箝位电路前端连接耦合电感原边线圈，后端连接升压电路，耦合电感副边线圈连接在升压电路内，输出滤波电路连接在升压电路后端，功率开关管的栅极连接变换器控制信号电压V_gs，源极连接输入电源V_in的负极，漏极连接至耦合电感的原边线圈与箝位电路之间；箝位电路包括箝位二极管D_c和箝位电容C_c，箝位二极管D_c的阳极与耦合电感的原边线圈、功率开关管的漏极相连，箝位二极管D_c的阴极、箝位电容C_c一端与升压电路相连，箝位电容C_c的另一端与功率开关管的源极相连；

耦合电感包括耦合电感原边绕组N₁、耦合电感副边绕组N₂；箝位电路包括箝位二极管D_c和箝位电容C_c；升压电路包括第一升压二极管D₁、第二升压二极管D₂、第三升压二极管D₃、第一升压电容C₁、第二升压电容C₂；输出滤波电路包括输出二极管D_o、第一输出电容C_o1和第二输出电容C_o2；耦合电感原边绕组N₁一端和输入电源V_in正极连接；另一端与功率开关管S的漏极和箝位二极管D_c阳极连接；箝位二极管D_c阴极、箝位电容C_c一端和第一升压二极管D₁阳极连接；第一升压二极管D₁阴极、第一升压电容C₁一端和第二升压二极管D₂阳极连接；第一升压电容C₁另一端、第二升压电容C₂一端和耦合电感副边绕组N₂一端连接；耦合电感副边绕组N₂另一端、第二升压二极管D₂阴极、第三升压二极管D₃阳极和第二输出电容C_o2一端连接；第二升压电容C₂另一端、第三升压二极管D₃阴极和输出二级管D_o阳极连接；输出二级管D_o阴极和第一输出电容C_o1一端连接；第一输出电容C_o1另一端、第三升压二极管D₃阳极和第二输出电容C_o2一端连接；第二输出电容C_o2另一端、箝位电容C_c另一端、功率开关管S的源极和输入电源V_in负极连接；第一输出电容C_o1和第二输出电容C_o2串联后得到的电压为输出电压，负载R并接在变换器的输出端；

所述高增益boost变换器的控制方法，包括以下步骤：S01)、控制boost变换器处于开关模态1，对应时刻为[t₀,t₁]，实现方法为：t₀时刻开通功率开关管S，耦合电感原边绕组漏感电流和耦合电感副边绕组电流

i_N2上升；第二升压二极管电流

上升，为第一升压电容充电，输出二极管电流

上升，为第一输出电容充电，功率开关管电流i_S上升，第一输出电容C_o1和第二输出电容C_o2为负载R供电；

S02)、控制boost变换器处于开关模态2，对应时刻为[t₁,t₂]，实现方法为：t₁时刻，功率开关管S关断，开关模态1结束，开关模态2开始，耦合电感原边绕组漏感电流

下降，耦合电感副边绕组电流i_N2反向上升；第一箝位二极管电流

下降，箝位电容吸收耦合电感原边绕组漏感能量，第一升压二极管电流

上升，输入电源V_in、耦合电感、第一升压电容C₁共同转移能量到第二输出电容C_o2，第一输出电容C_o1和第二输出电容C_o2为负载R供电；

S03)、控制boost变换器处于开关模态3，对应时刻为[t₂,t₃]，实现方法为：t₂时刻，箝位二极管电流

下降至零，开关模态2结束，开关模态3开始，耦合电感副边绕组、第一升压电容C₁和箝位电容共同为第二输出电容充电，第三升压二极管电流i_D3上升，耦合电感副边绕组为第二升压电容充电，同时，第一输出电容C_o1和第二输出电容C_o2为负载R供电；

S04)、导通功率开关管S，新的开关周期开始，boost变换器继续执行从开关模态1至开关模态3的工作过程；

高增益boost变换器的增益M为：

其中D为功率开关管的导通占空比，N＝N₂/N₁为耦合电感副边绕组与耦合电感原边绕组的匝数比。

2.根据权利要求1所述的耦合电感升压单元实现的高增益boost变换器，其特征在于：功率开关管S为MOSFET管。

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