CN111010031A - 一种改进型高增益Boost-Sepic变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改进型高增益Boost‑Sepic变换器。包括低压直流电源V in、功率开关管S1、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管Do、第五功率二极管DS1、独立电感L 1、独立电感L 2、独立电感L 3、中间电容C 1、中间电容C 2、输出电容C 3、输出电容C 4、输出电阻R o；本发明在工作时只需对一个开关管进行操控，降低了控制电路的复杂性，具有连续的输入电流、电流纹波容易控制、输入输出共地以及提高了输出电压时间响应特性的特点，具有高的电压增益，减小了功率开关管S1和功率二极管D3和Do的电压应力。

Description

一种改进型高增益Boost-Sepic变换器
技术领域
本发明涉及电力技术领域，尤其是一种改进型高增益Boost-Sepic变换器。
背景技术
在过去的几十年里，化石燃料的使用大大增加，导致环境污染和资源的枯竭。这些问题引起了人们对可再生能源(如光伏、风力涡轮机、燃料电池等)的研究。由于交流电网并网的需要，直流微网母线的总线电压一般需达350V-400V，而以光伏，燃料电池为代表的多种微源产生的电压相对较低。虽然大量光伏电池板串联可以得到较高的直流电压，然后经过并网逆变器来进行发电，但是这样会导致系统效率低、成本高、体积大。
在实际应用时，由于光伏组件本身不可避免的特性差异以及阴影遮挡的影响，大量光伏电池的串联使得各个光伏组件的高效利用受到了限制，既提高了发电成本，又造成了资源浪费。新能源发电系统输出电压约为20V～50V，而直流母线电压为380V或760V，当某些负载的直流或交流峰值电压高于输入源电压的10倍时，高升压比是必要的，因此需要一种高增益升压型DC-DC变换器将太阳能电池板的输出电压升高到母线电压，高电压增益的DC-DC变换器是提高光伏产生的低电压的一种切实可行的解决方案，成为当前研究的热点。
发明内容
本发明提出一种改进型高增益Boost-Sepic变换器，通过引入Boost变换器和改进型Sepic变换器的级联，实现输入输出电压大变比，保留了Boost变换器电流纹波容易控制、输入输出共地以及提高了输出电压时间响应特性的特点，而且降低了开关管和二极管的电压应力，同时还具有连续的输入电流以及控制电路简单的优点。
本发明采用以下技术方案。
一种改进型高增益Boost-Sepic变换器，所述变换器的输入端接入低压直流电源Vin，输出端Vo处接有输出电阻Ro；变换器还包括功率开关管S1、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管Do、第五功率二极管DS1、独立电感L1、独立电感L2、独立电感L3、中间电容C1、中间电容C2、输出电容C3、输出电容C4；所述低压直流电源Vin的正极连接至独立电感L1的一端；所述独立电感L1的另一端与第一功率二极管D1及第二功率二极管D2的阳极相连；所述第一功率二极管D1的阴极与中间电容C1及独立电感L2的一端相连；所述第二功率二极管D2的阴极与独立电感L2的另一端相连再与第三功率二极管D3的阳极、中间电容C2的一端、功率开关管S1的漏极和第五功率二极管DS1的阴极相连；所述中间电容C2的另一端与独立电感L3的一端及第四功率二极管Do的阳极相连；所述第三功率二极管D3的阴极与独立电感L3的另一端及输出电容C3、输出电容C4的一端相连；所述第四功率二极管Do的阴极与输出电容C4及输出电阻Ro的一端相连。
所述功率开关管S1为功率MOS管，所述第五功率二极管DS1是功率MOS管S1的体二极管；所述功率开关管S1采用PWM控制方式。
所述中间电容C1、中间电容C2、输出电容C3、输出电容C4为高频电容。
所述改进型高增益Boost-Sepic变换器，能够实现电能从低压直流电源Vin向输出Vo传递，实现电压的高增益。
当所述Boost-Sepic变换器工作于CCM模式时，通过开关管S1、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3不同通断状态的组合，在第一工作模式、第二工作模式和第三工作模式之间切换。
当开关管S1驱动导通，第一功率二极管D1关断，第二功率二极管D2正向导通时，所述变换器工作于第一工作模式；此时低压侧电源电压Vin加在电感L1上，给电感L1充电；电感L1的电流上升；中间电容C1电压VC1给电感L2供电，电感L2的电流上升；中间电容C3电压VC3大于中间电容C2电压VC2，由电压VC3-VC2给电感L3充电，电感L3的电流上升；
当开关管S1关断，第二功率二极管D2、第三功率二极管D3关断，第一功率二极管D1正向导通时，所述变换器工作于第二工作模式，此时低压侧电源电压Vin和电感L1上电压VL1向中间电容C1充电；低压侧电源电压Vin和电感L1上电压VL1连同电感L2上电压VL2和中间电容C2储存的能量向负载供电；电感L3上电压VL3和中间电容C3储存的能量向负载供电；
当开关管S1继续关断，第二功率二极管D2关断，第一功率二极管D1、第三功率二极管D3正向导通时，所述变换器工作于第三工作模式，此时低压侧电源电压Vin和电感L1上电压VL1向中间电容C1充电；低压侧电源电压Vin和电感L1上电压VL1连同电感L2上电压VL2和中间电容C2储存的能量向负载供电；中间电容C1和电感L2上储存的能量通过第三功率二极管二极管D3向输出电容C3充电；电感L3通过第二功率二极管二极管Do向输出电容C4供电。
所述变换器在电能从低压直流电源Vin向输出端Vo传递过程中对电能电压进行高增益处理。
本发明在工作时只需对一个开关管S1进行操控，降低了控制电路的复杂性，具有连续的输入电流、电流纹波容易控制、输入输出共地以及提高了输出电压时间响应特性的特点，具有高的电压增益，减小了功率开关管S1和功率二极管D3和Do的电压应力。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1.本发明通过引入Boost变换器和改进型Sepic变换器的级联，实现输入输出电压大变比。
2.本发明的变换器保留了Boost变换器输入电流连续，电流纹波容易控制、输入输出共地的特点。
3.本发明通过对后级传统Sepic电路的改进，降低了开关管和二极管的电压应力，提高了输出电压时间响应特性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的一种改进型高增益Boost-Sepic变换器原理示意图；
附图2是本发明的一种改进型高增益Boost-Sepic变换器CCM模式下第一工作模态的等效电路示意图；
附图3是本发明的一种改进型高增益Boost-Sepic变换器CCM模式下第二工作模态的等效电路示意图；
附图4是本发明的一种改进型高增益Boost-Sepic变换器CCM模式下第三工作模态的等效电路示意图；
附图5是本发明的一种改进型高增益Boost-Sepic变换器CCM模式下关键工作波形示意图。
具体实施方式
如图1-5所示，一种改进型高增益Boost-Sepic变换器，所述变换器的输入端接入低压直流电源Vin，输出端Vo处接有输出电阻Ro；变换器还包括功率开关管S1、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管Do、第五功率二极管DS1、独立电感L1、独立电感L2、独立电感L3、中间电容C1、中间电容C2、输出电容C3、输出电容C4；所述低压直流电源Vin的正极连接至独立电感L1的一端；所述独立电感L1的另一端与第一功率二极管D1及第二功率二极管D2的阳极相连；所述第一功率二极管D1的阴极与中间电容C1及独立电感L2的一端相连；所述第二功率二极管D2的阴极与独立电感L2的另一端相连再与第三功率二极管D3的阳极、中间电容C2的一端、功率开关管S1的漏极和第五功率二极管DS1的阴极相连；所述中间电容C2的另一端与独立电感L3的一端及第四功率二极管Do的阳极相连；所述第三功率二极管D3的阴极与独立电感L3的另一端及输出电容C3、输出电容C4的一端相连；所述第四功率二极管Do的阴极与输出电容C4及输出电阻Ro的一端相连。
所述功率开关管S1为功率MOS管，所述第五功率二极管DS1是功率MOS管S1的体二极管；所述功率开关管S1采用PWM控制方式。
所述中间电容C1、中间电容C2、输出电容C3、输出电容C4为高频电容。
所述改进型高增益Boost-Sepic变换器，能够实现电能从低压直流电源Vin向输出Vo传递，实现电压的高增益。
当所述Boost-Sepic变换器工作于CCM模式时，通过开关管S1、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3不同通断状态的组合，在第一工作模式、第二工作模式和第三工作模式之间切换。
当开关管S1驱动导通，第一功率二极管D1关断，第二功率二极管D2正向导通时，所述变换器工作于第一工作模式；此时低压侧电源电压Vin加在电感L1上，给电感L1充电；电感L1的电流上升；中间电容C1电压VC1给电感L2供电，电感L2的电流上升；中间电容C3电压VC3大于中间电容C2电压VC2，由电压VC3-VC2给电感L3充电，电感L3的电流上升；
当开关管S1关断，第二功率二极管D2、第三功率二极管D3关断，第一功率二极管D1正向导通时，所述变换器工作于第二工作模式，此时低压侧电源电压Vin和电感L1上电压VL1向中间电容C1充电；低压侧电源电压Vin和电感L1上电压VL1连同电感L2上电压VL2和中间电容C2储存的能量向负载供电；电感L3上电压VL3和中间电容C3储存的能量向负载供电；
当开关管S1继续关断，第二功率二极管D2关断，第一功率二极管D1、第三功率二极管D3正向导通时，所述变换器工作于第三工作模式，此时低压侧电源电压Vin和电感L1上电压VL1向中间电容C1充电；低压侧电源电压Vin和电感L1上电压VL1连同电感L2上电压VL2和中间电容C2储存的能量向负载供电；中间电容C1和电感L2上储存的能量通过第三功率二极管二极管D3向输出电容C3充电；电感L3通过第二功率二极管二极管Do向输出电容C4供电。
所述变换器在电能从低压直流电源Vin向输出端Vo传递过程中对电能电压进行高增益处理。
实施例：
本例通过引入Boost变换器和改进型Sepic变换器的级联以及对后级传统Sepic电路的改进，实现输入输出电压大变比，提高了输出电压时间响应特性，还降低了开关管和二极管的电压应力。并且保留了Boost变换器输入电流连续，电流纹波容易控制、输入输出共地的特点。下面结合图1中的具体实例具体说明本发明的一种改进型高增益Boost-Sepic变换器在CCM模式下的具体工作模态，如图2-4所示。图5为CCM模式下关键波形图。
参照图2，是本发明的一种改进型高增益Boost-Sepic变换器在CCM模式下的具体工作模态一(第一工作模式)示意图。当开关管S1驱动导通时，二极管D1关断，二极管D2正向导通。低压侧电源电压Vin加在电感L1上，给电感L1充电；电感L1的电流上升；中间电容C1电压VC1给电感L2供电，电感L2的电流上升；中间电容C3电压VC3大于中间电容C2电压VC2，由电压VC3-VC2给电感L3充电，电感L3的电流上升，关键波形如图5所示。电感L1、L2和L3两端电压为：
VL1＝Vin (1)
VL2＝VC1 (2)
VL3＝VC3-VC2 (3)
电感L1、L2和L3的电流增加量为：
Figure BDA0002339695820000041
Figure BDA0002339695820000042
Figure BDA0002339695820000043
参照图3，是本发明的一种改进型高增益Boost-Sepic变换器在CCM模式下的具体工作模态二(第二工作模式)等效电路。当开关管S1关断时，二极管D2、D3关断。二极管D1正向导通，低压侧电源电压Vin和电感L1上电压VL1向中间电容C1充电；低压侧电源电压Vin和电感L1上电压VL1连同电感L2上电压VL2和中间电容C2储存的能量向负载供电；电感L3上电压VL3和中间电容C3储存的能量向负载供电。电感L1、L2和L3两端电压为：
VL1＝VC1-Vin (7)
VL2＝-VC1-VC2+Vo (8)
VL2＝-Vin-VL1-VC2+Vo (9)
VL3＝VC4 (10)
Vo＝VC3+VC4 (11)
电感L1、L2和L3的电流减小量为：
Figure BDA0002339695820000051
Figure BDA0002339695820000052
Figure BDA0002339695820000053
参照图4，是本发明的一种改进型高增益Boost-Sepic变换器在CCM模式下的具体工作模态三(第三工作模式)等效电路。开关管S1继续关断，二极管D2关断。二极管D1、D3正向导通，低压侧电源电压Vin和电感L1上电压VL1向中间电容C1充电；低压侧电源电压Vin和电感L1上电压VL1连同电感L2上电压VL2和中间电容C2储存的能量向负载供电；中间电容C1和电感L2上储存的能量通过二极管D3向输出电容C3充电；电感L3通过二极管Do向输出电容C4供电。电感L1、L2和L3两端电压为：
VL1＝VC1-Vin (15)
VL2＝-VC1-VC2+Vo (16)
VL2＝-Vin-VL1-VC2+Vo (17)
VL2＝-VC1+VC3 (18)
VL3＝VC4＝VC2 (19)
电感L1、L2和L3的电流减小量为：
Figure BDA0002339695820000061
Figure BDA0002339695820000062
Figure BDA0002339695820000063
结合图2、图3、图4可得：
稳态运行时，在一个周期T中，电感L1满足伏秒平衡：
VinDT＝(-Vin+VC1)(1-D)T (23)
由(23)可得中间电容C1应力：
Figure BDA0002339695820000064
在模态二中，中间电容C2的电压VC2和电感L3的电压VL3近似相等，为简化计算，在稳态运行时，在一个周期T中，电感L2满足伏秒平衡：
VC1DT＝(-VC1-VC2+Vo)(1-D)T (25)
VC1DT＝(-VC1+VC3)(1-D)T (26)
由(25)可得中间电容C2应力：
Figure BDA0002339695820000065
由(26)得：
VC1＝(1-D)VC3 (28)
稳态运行时，在一个周期T中，电感L3满足伏秒平衡：
(VC3-VC2)DT＝(-VC3+Vo)(1-D)T (29)
由(29)可得中间电容C3应力：
VC3＝(1-D)Vo+DVC2 (30)
由(24)、(27)、(28)、(30)可得改进型高增益Boost-Sepic变换器电压增益：
Figure BDA0002339695820000066
由(24)、(28)、(31)可得开关管S1的电压应力：
Figure BDA0002339695820000067
由(32)可得二极管D3的电压应力：
Figure BDA0002339695820000071
由(27)可得二极管Do的电压应力：
Figure BDA0002339695820000072
由(24)得二极管D1的电压应力：
Figure BDA0002339695820000073
由(18)、(28)得二极管D2的电压应力：
Figure BDA0002339695820000074
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种改进型高增益Boost-Sepic变换器，其特征在于：所述变换器的输入端接入低压直流电源V in，输出端V o处接有输出电阻R o；变换器还包括功率开关管S1、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管Do、第五功率二极管DS1、独立电感L 1、独立电感L 2、独立电感L 3、中间电容C 1、中间电容C 2、输出电容C 3、输出电容C 4；所述低压直流电源V in的正极连接至独立电感L 1的一端；所述独立电感L 1的另一端与第一功率二极管D1及第二功率二极管D2的阳极相连；所述第一功率二极管D1的阴极与中间电容C 1及独立电感L 2的一端相连；所述第二功率二极管D2的阴极与独立电感L 2的另一端相连再与第三功率二极管D3的阳极、中间电容C 2的一端、功率开关管S1的漏极和第五功率二极管DS1的阴极相连；所述中间电容C 2的另一端与独立电感L 3的一端及第四功率二极管Do的阳极相连；所述第三功率二极管D3的阴极与独立电感L 3的另一端及输出电容C 3、输出电容C 4的一端相连；所述第四功率二极管Do的阴极与输出电容C 4及输出电阻R o的一端相连。
2.根据权利要求1所述的一种改进型高增益Boost-Sepic变换器，其特征在于：所述功率开关管S1为功率MOS管，所述第五功率二极管DS1是功率MOS管S1的体二极管；所述功率开关管S1采用PWM控制方式。
3.根据权利要求1所述的一种改进型高增益Boost-Sepic变换器，其特征在于：所述中间电容C 1、中间电容C 2、输出电容C 3、输出电容C 4为高频电容。
4.根据权利要求1所述的一种改进型高增益Boost-Sepic变换器，其特征在于：所述改进型高增益Boost-Sepic变换器，能够实现电能从低压直流电源Vin向输出Vo传递，实现电压的高增益。
5.根据权利要求1所述的一种改进型高增益Boost-Sepic变换器，其特征在于：当所述Boost-Sepic变换器工作于CCM模式时，通过开关管S1、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3不同通断状态的组合，在第一工作模式、第二工作模式和第三工作模式之间切换。
6. 根据权利要求5所述的一种改进型高增益Boost-Sepic变换器，其特征在于：当开关管S1驱动导通，第一功率二极管D1关断，第二功率二极管D2正向导通时，所述变换器工作于第一工作模式；此时低压侧电源电压V in加在电感L 1上，给电感L 1充电；电感L 1的电流上升；中间电容C 1电压V C1给电感L 2供电，电感L 2的电流上升；中间电容C 3电压V C3大于中间电容C 2电压V C2，由电压V C3- V C2给电感L 3充电，电感L 3的电流上升；
当开关管S1关断，第二功率二极管D2、第三功率二极管D3关断，第一功率二极管D1正向导通时，所述变换器工作于第二工作模式，此时低压侧电源电压V in和电感L 1上电压V L1向中间电容C1充电；低压侧电源电压V in和电感L 1上电压V L1连同电感L 2上电压V L2和中间电容C2储存的能量向负载供电；电感L 3上电压V L3和中间电容C3储存的能量向负载供电；
当开关管S1继续关断，第二功率二极管D2关断，第一功率二极管D1、第三功率二极管D3正向导通时，所述变换器工作于第三工作模式，此时低压侧电源电压V in和电感L 1上电压V L1向中间电容C1充电；低压侧电源电压V in和电感L 1上电压V L1连同电感L 2上电压V L2和中间电容C2储存的能量向负载供电；中间电容C1和电感L 2上储存的能量通过第三功率二极管二极管D3向输出电容C3充电；电感L 3通过第二功率二极管二极管Do向输出电容C4供电。
7.根据权利要求1所述的一种改进型高增益Boost-Sepic变换器，其特征在于：所述变换器在电能从低压直流电源V in向输出端V o传递过程中对电压进行高增益处理。
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CN111786555A (zh) * 2020-07-22 2020-10-16 福州大学 基于新型升压单元的零纹波高增益dc-dc变换器
CN111786555B (zh) * 2020-07-22 2021-11-02 福州大学 基于新型升压单元的零纹波高增益dc-dc变换器

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