CN109756105A - 一种输入输出共地有源开关电容z源升压斩波电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路,包括直流输入电源V in 、第一电感(L 1)、第二电感(L 2)、第一电容(C 1)、第二电容(C 2)、第三电容(C 3)、第一二极管(D 1)、第二二极管(D 2)、第三二极管(D 3)、第四二极管(D 4)、第一开关管(S 1 )、第二开关管(S 2 )、输出电容(C out )和负载。本发明相比于Boost变换器、传统准Z源变换器等具有较高的电压增益和较低的电容、开关和二极管电压应力并且输入输出共地,适用于非隔离型高增益直流电压变换的场合。
Description
技术领域
本发明涉及DC/DC变换器领域,具体涉及一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路。
背景技术
在光伏电池和燃料电池等可再生能源发电系统的双级式逆变器中,需要高电压增益的DC/DC变换器来获得较高的直流电压以驱动逆变器。由于开关寄生参数和耐压能力的限制,传统的DC/DC升压变换器难以实现高电压增益和高输出电压。Boost电路的电压增益为1/(1-D)(D为占空比),为了获得较高的电压增益需要占空比接近于1,而占空比受到开关寄生参数的限制;其二极管和开关的电压应力与输出电压相等,二极管和开关的耐压能力限制了输出电压的幅值。近年来新出现的包括单个Z源或准Z源网络的DC/DC变换器,相较于boost电路电压增益更高,如共地的高增益Z源变换器的电压增益为(2-2D)/(1-2D)(D为占空比),但是依旧有提升其电压增益的空间。在以上电路的基础上,出现了基于多个Z源和准Z源的DC/DC变换器,如电压增益为1/(1-4D)(D为占空比)Hybrid Z源DC/DC变换器。但是,以上所有的基于单个或多个Z源和准Z源的DC/DC变换器均未明显降低开关的电压应力,因此输出电压幅值依旧受到限制。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足,提出一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
本发明电路中具体包括直流输入电源Vin、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第三电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一开关管、第二开关管、输出电容和负载。
本发明电路具体的连接方式为:直流输入电源Vin的正极和第一二极管的阳极连接;第一电感的一端、第一电容的一端、第一二极管的阴极和第二二极管的阳极连接;第一电感的另一端、第二电容的一端、第三二极管的阳极和第一开关管的漏极连接;第三电容的一端、第三二极管的阴极和第二开关管的漏极连接;第三电容的另一端、第四二极管的阳极和第一开关管的源极连接;第二电感的一端、第一电容的另一端、第四二极管的阴极和第二开关管的源极连接;第二二极管的阴极、输出电容的一端和负载的正极连接;直流输入电源Vin的负极、负载的负极、第二电感的另一端、第二电容的另一端和输出电容的另一端连接。
与现有技术相比,本发明电路具有的优势为:在电压增益上,相比于传统的Boost变换器(其电压增益为M=1/(1-D))、共地的高增益Z源变换器(其电压增益为M=(2-2D)/(1-2D))和Hybrid Z源变换器(其电压增益为M=1/(1-4D))等DC/DC变换器,具有更高的电压增益,其电压增益为M=(3-4D)/(1-4D);在开关电压应力上,相比于传统的Boost变换器(其开关电压应力为Vs=Vout)、共地的高增益Z源变换器(其开关电压应力为Vs=Vout-Vin)和Hybrid Z源变换器(其开关电压应力为Vs=Vout)等DC/DC变换器,具有更小的开关电压应力,其电压应力为Vs=(Vout-Vin)/2。当输入电压和输出电压相同时,本发明电路的开关占空比较小并且开关应力较小,并且输入输出共地,因此本发明电路具有很广泛的应用前景。
附图说明
图1为一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路结构图。
图2为一个开关周期主要元件的电压电流波形图。
图3a~3b为一个开关周期T内电路模态图。
图4为本发明提出的电路、Boost变换器、共地的高增益Z源变换器和HybridZ源变换器的电压增益与占空比D的关系图。
图5为本发明提出的电路、Boost变换器、共地的高增益Z源变换器和HybridZ源变换器的开关电压应力与输入电压的比值Vs/Vin与电压增益的关系图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方案进行具体说明,但本发明的实施不限于此,需指出的是以下若有未特别详细说明之符号或过程,均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。
本实例的基本拓扑结构和各主要元件电压电流参考方向如图1所示。
一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路,包括直流输入电源Vin、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一开关管S1、第二开关管S2、输出电容Cout和负载。所述的直流输入电源Vin的正极和第一二极管D1的阳极连接;所述的第一电感L1的一端、第一电容C1的一端、第一二极管D1的阴极和第二二极管D2的阳极连接;
所述的第一电感L1的另一端、第二电容C2的一端、第三二极管D3的阳极和第一开关管S1的漏极连接;所述的第三电容C3的一端、第三二极管D3的阴极和第二开关管S2的漏极连接;所述的第三电容C3的另一端、第四二极管D4的阳极和第一开关管S1的源极连接;所述的第二电感L2的一端、第一电容C1的另一端、第四二极管D4的阴极和第二开关管S2的源极连接;所述的第二二极管D2的阴极、输出电容Cout的一端和负载的正极连接;所述的直流输入电源Vin的负极、负载的负极、第二电感L2的另一端、第二电容C2的另一端和输出电容Cout的另一端连接。
为了分析方便,电路结构中的器件均视为理想器件。第一开关管S1和第二开关管S2的驱动信号VGS、第一二极管D1电流iD1、第二二极管D2电流iD2、第三二极管D3电流iD3、第四二极管D4电流iD4、第一电感L1电流iL1、第二电感L2电流iL2、第一电容C1电压VC1、第二电容C2电压VC2、第三电容C3电压VC3、输出电容Cout电压VCo和输出电压Vout的波形图如图2所示。
在t0~t1阶段,变换器在此阶段的模态图如图3a所示,第一开关管S1和第二开关管S2的驱动信号VGS为高电平,第一开关管S1和第二开关管S2导通,第一二极管D1、第三二极管D3和第四二极管D4承受反向电压截止,第二二极管D2承受正向电压导通。第一电容C1和第三电容C3通过第一开关管S1和第二开关管S2向第一电感L1充电,第二电容C2和第三电容C3通过第一开关管S1和第二开关管S2向第二电感L2充电,第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3通过第一开关管S1、第二开关管S2和第二二极管D2向输出电容Cout充电和向负载供电。
在t1~t2阶段,变换器在此阶段的模态图如图3b所示,开关管S的驱动信号VGS为低电平,第一开关管S1和第二开关管S2关断,第一二极管D1、第三二极管D3和第四二极管D4承受正向电压导通,第二二极管D2承受反向电压截止。直流输入电源Vin和第一电感L1通过第一二极管D1给第二电容C2充电,直流输入电源Vin和第二电感L2通过第一二极管D1给第一电容C1充电,直流输入电源Vin、第一电感L1和第二电感L2通过第一二极管D1、第三二极管D3和第四二极管D4给第三电容C3充电,输出电容Cout向负载供电。
本发明电路的电压增益计算如下。
由第一电感L1与第二电感L2的电压在一个开关周期内的平均值为零,可得到下列关系式。
(VC1+VC3)ton+(Vin-VC2)toff=0 (1)
(VC2+VC3)ton+(Vin-VC1)toff=0 (2)
(VC1+VC2+2VC3)ton+(Vin-VC3)toff=0 (3)
(Vout+VC3)ton+(Vin-VC3)toff=0 (4)
联立求解式(1)、(2)、(3)、(4)可得到输出电压Vout与直流输入电压Vin和开关占空比D的关系。
传统Boost变换器的电压增益为1/(1-D)(D为占空比),共地的高增益Z源变换器的电压增益为(2-2D)/(1-2D)(D为占空比),Hybrid Z源DC/DC变换器的电压增益为1/(1-4D)(D为占空比),本发明所提电路与Boost变换器、共地的高增益Z源变换器和Hybrid Z源DC/DC变换器的稳态增益比较图如图4所示,从图4可知,在相同的条件下,本电路的电压增益最高。
本发明电路的开关管电压应力计算如下。
第一开关管S1和第二开关管S2关断的时候,开关管电压应力VS1和VS2为
VS1=VS2=VC3 (6)
联立求解式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)可以得到第一开关管S1和第二开关管S2电压应力为
传统Boost变换器的开关管电压应力为Vs=Vout,共地的高增益Z源变换器的开关管电压应力为Vs=Vout-Vin,Hybrid Z源DC/DC变换器的开关管电压应力为Vs=Vout,本发明所提电路与Boost变换器、共地的高增益Z源变换器和Hybrid Z源DC/DC变换器的开关管电压应力比较图如图5所示,从图5可知,在相同的条件下,本电路的开关管电压应力最小。
Claims (4)
1.一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路,其特征在于包括直流输入电源V in 、第一电感(L 1)、第二电感(L 2)、第一电容(C 1)、第二电容(C 2)、第三电容(C 3)、第一二极管(D 1)、第二二极管(D 2)、第三二极管(D 3)、第四二极管(D 4)、第一开关管(S 1 )、第二开关管(S 2 )、输出电容(C out )和负载。
2.根据权利要求1所述的一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路,其特征在于:
所述的直流输入电源V in 的正极和第一二极管(D 1)的阳极连接;
所述的第一电感(L 1)的一端、第一电容(C 1)的一端、第一二极管(D 1)的阴极和第二二极管(D 2)的阳极连接;
所述的第一电感(L 1)的另一端、第二电容(C 2)的一端、第三二极管(D 3)的阳极和第一开关管(S 1)的漏极连接;
所述的第三电容(C 3)的一端、第三二极管(D 3)的阴极和第二开关管(S 2)的漏极连接;
所述的第三电容(C 3)的另一端、第四二极管(D 4)的阳极和第一开关管(S 1)的源极连接;
所述的第二电感(L 2)的一端、第一电容(C 1)的另一端、第四二极管(D 4)的阴极和第二开关管(S 2)的源极连接;
所述的第二二极管(D 2)的阴极、输出电容(C out )的一端和负载的正极连接;
所述的直流输入电源V in 的负极、负载的负极、第二电感(L 2)的另一端、第二电容(C 2)的另一端和输出电容(C out )的另一端连接。
3.根据权利要求1所述的一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路,其特征在于:输出电压V out 与直流输入电压V in 和开关占空比D的关系为。
4.根据权利要求1所述的一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路,其特征在于:第一开关管(S 1 )和第二开关管(S 2 )电压应力为
。
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