CN111092548B - 一种带有电感电容开关网络的高增益Cuk直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有电感电容开关网络的高增益Cuk直流变换器，包括基本Cuk变换器和若干个电感电容开关网络单元，所述电感电容开关网络单元包含一个电感、一个电容及两个二极管，通过增加不同数量的电感电容开关网络，可以灵活地扩大电压增益，引入n个电感电容开关网络时，输出电压是输入电压的

倍。带有电感电容开关网络的高增益Cuk直流变换器具有结构简单、控制方便、高电压增益、开关器件电压应力小和易拓展的优点，并且可以完成光伏电池到并网逆变器所需直流母线之间的高增益升压任务。

Description

一种带有电感电容开关网络的高增益Cuk直流变换器

技术领域

本发明涉及直流-直流变换器领域，具体说是一种带有电感电容开关网络的高增益Cuk直流变换器。

背景技术

随着能源危机和环境污染，太阳能、燃料电池等成为世界能源结构的主要部分。但光伏、燃料电池等新能源发电单体的输出电压远低于可并网所需的直流母线电压，通常需要一个高增益升压DC-DC变换器作为接口电路。此外，在UPS供电系统、电动汽车以及航空电源等应用领域，高增益升压DC-DC变换器也同样扮演着重要角色。

由于输入输出电感的存在，Cuk变换器可以减小输入输出电流脉动和纹波，有利于抑制电磁干扰问题，因此受到越来越多的关注。但是传统的Cuk变换器输出电压增益只能达到10倍。为提高电压增益，对现有技术中的Cuk提出多种改进方案，主要存在三种方式：第一种利用耦合电感来实现高增益升压，但是耦合电感的使用会引起开关器件电压应力过高，同时带来电磁干扰；第二种是融合开关电感网络；第三种是融合开关电容网络，第二种和第三种电路均是单纯地只增加电感或者电容的数量来扩展电压增益。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种带有电感电容开关网络的高增益Cuk直流变换器，具有结构简单、控制方便、高电压增益、开关器件电压应力小和易拓展的优点。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种带有电感电容开关网络的高增益Cuk直流变换器，包括直流变换器本体和设置于变换器本体内部的电路模块，所述电路模块含有两个电感电容开关网络，所述第一个电感电容开关网络包括输入电源U_i、第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、开关管S、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、输出滤波电容C_o和负载电阻R；输入电源U_i的正极分别与第一电感L₁的第一端、第二电容C₂的第一端及第三电容C₃的第一端连接，第一电感L₁的第二端分别与第二二极管D₂的阳极及第三二极管D₃的阳极连接，第二二极管D₂的阴极分别与第二电容C₂的第二端及第三电感L₃的第一端连接，第三电感L₃的第二端分别与第三二极管D₃的阴极、第四二极管D₄的阳极、第一电容C₁的第一端及开关管S的漏极相连，第一电容C₁的第二端分别与第一二极管D₁的阳极及第二电感L₂的第一端相连，第一二极管D₁的阴极分别与开关管S的源极及输入电源U_i的负极连接，第二电感L₂的第二端分别与输出滤波电容C_o的第一端及负载电阻R的第一端相连，输出滤波电容C_o的第二端分别与负载电阻R的第二端、第三电容C₃的第二端及第四二极管D₄的阴极相连。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述电路模块增加一个电感电容开关网络，所述电感电容开关网络包括第四电容C₄、第四电感L₄、第五二极管D₅和第六二极管D₆；将输出滤波电容C_o的第二端与第三电容C₃的第二端、第四二极管D₄的阴极拆开，同时将开关管S的漏极与第三二极管D₃的阴极、第四二极管D₄的阳极及第三电感L₃的第二端拆开；输出滤波电容C_o的第二端分别与第四电容C₄的第二端及第六二极管D₆的阴极相连，第四电容C₄的第一端与第三电容C₃的第一端连接，开关管S的漏极分别与第五二极管D₅的阴极、第六二极管D₆的阳极及第四电感L₄第二端相连，第四电感L₄第一端分别与第三电容C₃的第二端及第四二极管D₄的阴极相连，第五二极管D₅的阳极分别与第三二极管D₃的阴极及第三电感L₃的第二端相连。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述电路模块再增加(n-2)个电感电容开关网络，实现高增益电压输出，输出电压是输入电压的

倍。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

1、直流变换器利用电感电容开关网络可以完成光伏电池到并网逆变器所需直流母线之间的高增益升压任务；同时，该类变换器功率开关管和二极管电压应力小，控制简单。

2、通过增加不同数量的电感电容开关网络，可以灵活地扩大电压增益。引入n个电感电容开关网络时，输出电压是输入电压的

倍。

3、能够实现输入输出电流连续，并且减小EMI问题。

附图说明

图1是本发明第一种带有电感电容开关网络的高增益Cuk直流变换器电路图。

图2是本发明第一种直流变换器主要工作波形图。

图3是本发明第一种直流变换器工作模态一等效电路。

图4是本发明第一种直流变换器工作模态二等效电路。

图5是本发明第二种带有电感电容开关网络的高增益Cuk直流变换器电路图。

图6是本发明第二种直流变换器主要工作波形图。

图7是本发明第二种直流变换器工作模态一等效电路。

图8是本发明第二种直流变换器工作模态二等效电路。

图9是本发明第三种带有电感电容开关网络的高增益Cuk直流变换器电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

参见图1所示，一种带有电感电容开关网络的高增益Cuk直流变换器，包括直流变换器本体和设置于变换器本体内部的电路模块，所述电路模块含有两个电感电容开关网络，所述第一个电感电容开关网络包括输入电源U_i、第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、开关管S、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、输出滤波电容C_o和负载电阻R；输入电源U_i的正极分别与第一电感L₁的第一端、第二电容C₂的第一端及第三电容C₃的第一端连接，第一电感L₁的第二端分别与第二二极管D₂的阳极及第三二极管D₃的阳极连接，第二二极管D₂的阴极分别与第二电容C₂的第二端及第三电感L₃的第一端连接，第三电感L₃的第二端分别与第三二极管D₃的阴极、第四二极管D₄的阳极、第一电容C₁的第一端及开关管S的漏极相连，第一电容C₁的第二端分别与第一二极管D₁的阳极及第二电感L₂的第一端相连，第一二极管D₁的阴极分别与开关管S的源极及输入电源U_i的负极连接，第二电感L₂的第二端分别与输出滤波电容C_o的第一端及负载电阻R的第一端相连，输出滤波电容C_o的第二端分别与负载电阻R的第二端、第三电容C₃的第二端及第四二极管D₄的阴极相连。

参见图2所示，显示了所述第一种变换器开关管S的驱动信号V_g、第一电感L₁的电压v_L1、第二电感L₂的电压v_L2、第三电感L₃的电压v_L3、第一电感L₁的电流i_L1、第二电感L₂的电流i_L2、第三电感L₃的电流i_L3在一个开关周期的波形。

参见图3和图4所示，显示了所述第一种变换器在一个开关周期内两个工作模态的等效电路图。

1)在t₀～t₁阶段，如图3所示，开关管S和第三二极管D₃导通，第一二极管D₁、第二二极管D₂和第四二极管D₄关断。此时，第一电感L₁、第二电感L₂和第三电感L₃充电，第一电容C₁、第二电容C₂和第三电容C₃放电，电流路径分别为：U_i→L₁→D₃→S，U_i→C₂→L₃→S，U_i→C₃→R→L₂→C₁→S，电感电压v_L1、v_L2、v_L3如下式所示。

2)在t₁～t₂阶段，如图4所示，开关管S、第三二极管D₃关断，第一二极管D₁、第二二极管D₂、第四二极管D₄导通。此时，第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃放电，第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃充电，电流路径分别为：L₁→D₂→C₂，L₁→D₂→L₃→D₄→C₃，U_i→L₁→D₂→L₃→D₄→R→L₂→D₁及U_i→L₁→D₂→L₃→C₁→D₁，电感电压v_L1、v_L2、v_L3如下式所示。

由于电感电压v_L1、v_L2、v_L3在一个开关周期内平均值为0，因此可得到如下式：

如图5所示，本发明所述第二种带有电感电容开关网络的高增益Cuk直流变换器，所述电路模块增加一个电感电容开关网络，所述电感电容开关网络包括第四电容C₄、第四电感L₄、第五二极管D₅和第六二极管D₆；将输出滤波电容C_o的第二端与第三电容C₃的第二端、第四二极管D₄的阴极拆开，同时将开关管S的漏极与第三二极管D₃的阴极、第四二极管D₄的阳极及第三电感L₃的第二端拆开；输出滤波电容C_o的第二端分别与第四电容C₄的第二端及第六二极管D₆的阴极相连，第四电容C₄的第一端与第三电容C₃的第一端连接，开关管S的漏极分别与第五二极管D₅的阴极、第六二极管D₆的阳极及第四电感L₄第二端相连，第四电感L₄第一端分别与第三电容C₃的第二端及第四二极管D₄的阴极相连，第五二极管D₅的阳极分别与第三二极管D₃的阴极及第三电感L₃的第二端相连。

参见图6所示，显示了所述第二种变换器开关管S的驱动信号V_g、第一电感L₁的电压v_L1、第二电感L₂的电压v_L2、第三电感L₃的电压v_L3、第四电感L₄的电压v_L4、第一电感L₁的电流i_L1、第二电感L₂的电流i_L2、第三电感L₃的电流i_L3、第四电感L₄的电流i_L4在一个开关周期的波形。

参见图7和图8所示，显示了所述第二种变换器在一个开关周期内两个工作模态的等效电路图。

1)在t₀～t₁阶段，如图7所示，开关管S、第三二极管D₃、第五二极管D₅导通，第一二极管D₁、第二二极管D₂、第四二极管D₄、第六二极管D₆关断。此时，第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第四电感L₄充电，第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、第四电容C₄放电，电流路径分别为：U_i→L₁→D₃→D₅→S，U_i→C₂→L₃→D₅→S，U_i→C₃→L₄→S，U_i→C₄→R→L₂→C₁→S，电感电压v_L1、v_L2、v_L3、v_L4如下式所示。

2)在t₁～t₂阶段，如图8所示，开关管S、第三二极管D₃、第五二极管D₅关断，第一二极管D₁、第二二极管D₂、第四二极管D₄、第六二极管D₆导通。此时，第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第四电感L₄放电，第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、第四电容C₄充电，电流路径分别为：L₁→D₂→C₂，L₁→D₂→L₃→D₄→C₃，L₁→D₂→L₃→D₄→L₄→D₆→C₄，U_i→L₁→D₂→L₃→D₄→L₄→D₆→R→L₂→D₁及U_i→L₁→D₂→L₃→D₄→L₄→C₁→D₁，电感电压v_L1、v_L2、v_L3、v_L4如下式所示。

由于电感电压v_L1、v_L2、v_L3、v_L4在一个开关周期内平均值为0，因此可得到如下式：

如图9所示，本发明所述第三种带有电感电容开关网络的高增益Cuk直流变换器，所述电路模块再增加(n-2)个电感电容开关网络，所述(n-2)个电感电容开关网络的元器件和内部连接形式均相同，所述第i个电感电容开关网络包括电容C_i+2、电感L_i+2、二极管D_2i+1和二极管D_2i+2，其中第i个电感L_i+2的第二端分别与二极管D_2i+1的阴极及二极管D_2i+2的阳极连接，二极管D_2i+2的阴极与电容C_i+2的第二端连接；

将输出滤波电容C_o的第二端与第四电容C₄的第二端、第六二极管D₆的阴极所构成的连接端拆开，同时将开关管S的漏极与第五二极管D₅的阴极、第六二极管D₆的阳极及第四电感L₄的第二端所构成的连接端拆开；第2至第n个电感电容开关网络之间的连接形式如下：第i-1个电感电容开关网络中的电容C_i+1的第一端与第i个电感电容开关网络中的电容C_i+2的第一端连接，第i-1个电感电容开关网络中的二极管D_2i的阴极与第i个电感电容开关网络中的电感L_i+2的第一端连接，第i-1个电感电容开关网络中的二极管D_2i的阳极与第i个电感电容开关网络中的二极管D_2i+1的阳极连接，其中2＜i≤n；

输出滤波电容C_o的第二端与第n个电感电容开关网络中的电容C_n+2的第二端连接，开关管S的漏极与第n个电感电容开关网络中的二极管D_2n+1的阴极相连；引入n个电感电容开关网络后，电路可实现高增益电压输出，输出电压是输入电压的

倍，其中D为开关管S的占空比。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种带有电感电容开关网络的高增益Cuk直流变换器，其特征在于：包括直流变换器本体和设置于变换器本体内部的电路模块，电路模块含有两个电感电容开关网络，第一个电感电容开关网络包括输入电源U_i、第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、开关管S、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、输出滤波电容C_o和负载电阻R；输入电源U_i的正极分别与第一电感L₁的第一端、第二电容C₂的第一端及第三电容C₃的第一端连接，第一电感L₁的第二端分别与第二二极管D₂的阳极及第三二极管D₃的阳极连接，第二二极管D₂的阴极分别与第二电容C₂的第二端及第三电感L₃的第一端连接，第三电感L₃的第二端分别与第三二极管D₃的阴极、第四二极管D₄的阳极、第一电容C₁的第一端及开关管S的漏极相连，第一电容C₁的第二端分别与第一二极管D₁的阳极及第二电感L₂的第一端相连，第一二极管D₁的阴极分别与开关管S的源极及输入电源U_i的负极连接，第二电感L₂的第二端分别与输出滤波电容C_o的第一端及负载电阻R的第一端相连，输出滤波电容C_o的第二端分别与负载电阻R的第二端、第三电容C₃的第二端及第四二极管D₄的阴极相连；

第二个电感电容开关网络包括第四电容C₄、第四电感L₄、第五二极管D₅和第六二极管D₆；将输出滤波电容C_o的第二端与第三电容C₃的第二端、第四二极管D₄的阴极所构成的连接端拆开，同时将开关管S的漏极与第三二极管D₃的阴极、第四二极管D₄的阳极及第三电感L₃的第二端所构成的连接端拆开；输出滤波电容C_o的第二端分别与第四电容C₄的第二端及第六二极管D₆的阴极相连，第四电容C₄的第一端与第三电容C₃的第一端连接，开关管S的漏极分别与第五二极管D₅的阴极、第六二极管D₆的阳极及第四电感L₄第二端相连，第四电感L₄第一端分别与第三电容C₃的第二端及第四二极管D₄的阴极相连，第五二极管D₅的阳极分别与第三二极管D₃的阴极及第三电感L₃的第二端相连。

2.根据权利要求1所述的一种带有电感电容开关网络的高增益Cuk直流变换器，其特征在于：所述电路模块再增加(n-2)个电感电容开关网络，所述(n-2)个电感电容开关网络的元器件和内部连接形式均相同，第i个电感电容开关网络包括电容C_i+2、电感L_i+2、二极管D_2i+1和二极管D_2i+2，其中第i个电感L_i+2的第二端分别与二极管D_2i+1的阴极及二极管D_2i+2的阳极连接，二极管D_2i+2的阴极与电容C_i+2的第二端连接；

将输出滤波电容C_o的第二端与第四电容C₄的第二端、第六二极管D₆的阴极所构成的连接端拆开，同时将开关管S的漏极与第五二极管D₅的阴极、第六二极管D₆的阳极及第四电感L₄的第二端所构成的连接端拆开；第2至第n个电感电容开关网络之间的连接形式如下：第i-1个电感电容开关网络中的电容C_i+1的第一端与第i个电感电容开关网络中的电容C_i+2的第一端连接，第i-1个电感电容开关网络中的二极管D_2i的阴极与第i个电感电容开关网络中的电感L_i+2的第一端连接，第i-1个电感电容开关网络中的二极管D_2i的阳极与第i个电感电容开关网络中的二极管D_2i+1的阳极连接，其中2＜i≤n；

输出滤波电容C_o的第二端与第n个电感电容开关网络中的电容C_n+2的第二端连接，开关管S的漏极与第n个电感电容开关网络中的二极管D_2n+1的阴极相连；引入n个电感电容开关网络后，电路可实现高增益电压输出，输出电压是输入电压的

倍，其中D为开关管S的占空比。

Images