CN111245224B - 一种可扩展的零输入电流纹波高增益直流变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可扩展的零输入电流纹波高增益直流变换器。包括直流输入电源，开关管，第一电感、第二电感，第一二极管、第二二极管、第三二极管，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和负载。本发明的零输入电流纹波高增益直流变换器将电容‑二极管升压网络与电容钳位结合在一起，实现了高增益和零输入电流纹波，并可通过在输出侧增加扩展单元进一步提高了变换器的电压增益，非常适合于对输入电流纹波及电压增益要求较高的的直流电压变换应用场合。

Description

一种可扩展的零输入电流纹波高增益直流变换器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种可扩展的零输入电流纹波高增益直流变换器。
背景技术
近年来，以光伏系统、不间断电源、风力发电以及燃料电池等为代表的新能源在工业领域中发挥着越来越重要的作用。然而由于单体燃料电池或光伏电池的直流输出电压等级较低且不稳定，无法满足并网逆变器直流侧的电压等级要求，因此需要在发电系统的直流母线侧前端增加高增益直流变换器来提升电压等级，确保发电系统将产生的电能注入到电网中。因此，高增益直流变换器一直是开关变换器领域的研究热点。
传统的隔离型高增益直流变换器通过调整变压器的变比来实现各种升压功能，但是变压器的漏感引起的电压尖峰增加了开关管的电压应力，降低了电路的可靠性和变换效率，并导致严重的电磁干扰问题；非隔离Boost变换器在实现高电压增益时需要工作在极端占空比状态，开关管和二极管的电压应力较大，且二极管反向恢复过程导致开关管开通时流过很大的尖峰电流，变换器效率低；基于开关电容网络的高增益直流变换器，充分利用泵升电容在提升增益方面的优势，同时利用开关电容的分压作用减小了开关器件电压应力，降低了电路损耗，具有拓扑结构简单、低成本、效率高等优点，因此得到了广泛的研究。
此外，对于光伏、燃料电池等新能源，直流变换器的输入电流纹波不仅影响其发电效率，还影响光伏电池板和燃料电池等的使用寿命，因此研究与新能源配套的低输入电流纹波、高增益的直流变换器对于新能源发电系统具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可扩展的零输入电流纹波高增益直流变换器，将电容-二极管升压网络与电容钳位结合在一起，实现了高增益和零输入电流纹波，并可通过在输出侧增加扩展单元进一步提高变换器的电压增益。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种可扩展的零输入电流纹波高增益直流变换器，包括直流输入电源，开关管，第一电感、第二电感，第一二极管、第二二极管、第三二极管，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和负载；直流输入电源的正极经第一电感与第二电感的一端、第一电容的一端连接，直流输入电源的负极与开关管的源极、第四电容的一端、负载的一端连接，第二电感的另一端与开关管的漏极、第一二极管的阳极、第三电容的一端连接，第一电容的另一端与第一二极管的阴极、第二二极管的阳极、第二电容的一端连接，第二二极管的阴极与第三电容的另一端、第三二极管的阳极连接，第三二极管的阴极与第二电容的另一端、第四电容的另一端、负载的另一端连接。
在本发明一实施例中，该零输入电流纹波高增益直流变换器将电容-二极管升压网络与电容钳位结合在一起，实现高增益和零输入电流纹波，并可通过在输出侧增加扩展单元进一步提高变换器的电压增益。
在本发明一实施例中，该零输入电流纹波高增益直流变换器的电压增益为
Figure BDA0002371485830000021
通过在输出侧增加扩展单元可进一步提升电压增益,扩展后的电压增益为
Figure BDA0002371485830000022
其中M为扩展单元数。
本发明还提供了一种可扩展的零输入电流纹波高增益直流变换器，包括直流输入电源，开关管，第一电感、第二电感，第一二极管、第二二极管、第三二极管，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容，负载，还包括M个扩展单元，其中，第1扩展单元的第二端与第2扩展单元的第一端连接，第i扩展单元的第二端与第i+1扩展单元的第一端连接，第M-1扩展单元的第二端与第M扩展单元的第一端连接，1＜i＜M-1且M＞1；直流输入电源的正极经第一电感与第二电感的一端、第一电容的一端连接，直流输入电源的负极与开关管的源极、第四电容的一端、负载的一端连接，第二电感的另一端与开关管的漏极、第一二极管的阳极、第三电容的一端连接，第一电容的另一端与第一二极管的阴极、第二电容的一端、第二二极管的阳极，第二二极管的阴极与第三二极管的阳极、第三电容的另一端连接，第二电容的另一端与第M扩展单元的第二端、负载的另一端连接，第三二极管的阴极与第四电容的另一端相连接至第1扩展单元的第一端，M个扩展单元的第三端均与第三电容的一端连接，M个扩展单元的第四端均与第四电容的一端连接。
在本发明一实施例中，当没有扩展单元时，第三二极管的阴极直接与第二电容的另一端、负载的另一端连接，此时该零输入电流纹波高增益直流变换器的电压增益为
Figure BDA0002371485830000023
在本发明一实施例中，当仅有一个扩展单元时，所述扩展单元包括第一扩展二极管、第二扩展二极管，第一扩展电容、第二扩展电容，第一扩展二极管的阳极作为扩展单元的第一端，第一扩展二极管的阴极与第二扩展二极管的阳极、第一扩展电容的一端连接，第二扩展二极管的阴极与第二扩展电容的一端连接并作为扩展单元的第二端，第一扩展电容的另一端作为扩展单元的第三端，第二扩展电容另一端作为扩展单元的第四端，扩展单元的第一端与第三二极管的阴极与第四电容的另一端连接，扩展单元的第二端与第二电容的另一端、负载的另一端连接，扩展单元的第三端与第三电容的一端连接，扩展单元的第四端与第四电容的一端连接，此时该零输入电流纹波高增益直流变换器的电压增益为
Figure BDA0002371485830000024
在本发明一实施例中，每一扩展单元均包括第一扩展二极管、第二扩展二极管，第一扩展电容、第二扩展电容，第一扩展二极管的阳极作为扩展单元的第一端，第一扩展二极管的阴极与第二扩展二极管的阳极、第一扩展电容的一端连接，第二扩展二极管的阴极与第二扩展电容的一端连接并作为扩展单元的第二端，第一扩展电容的另一端作为扩展单元的第三端，第二扩展电容另一端作为扩展单元的第四端，此时该零输入电流纹波高增益直流变换器的电压增益为
Figure BDA0002371485830000031
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明的零输入电流纹波高增益直流变换器将电容-二极管升压网络与电容钳位结合在一起，实现了高增益和零输入电流纹波，并可通过在输出侧增加扩展单元进一步提高了变换器的电压增益，非常适合于对输入电流纹波及电压增益要求较高的的直流电压变换应用场合。
附图说明
图1为本发明的可扩展的零输入电流纹波高增益直流变换器电路原理图。
图2为本发明的零输入电流纹波高增益直流变换器主要工作波形图。
图3为本发明的零输入电流纹波高增益直流变换器各模态等效电路图。
图4为本发明的零输入电流纹波高增益直流变换器输出侧扩展电路图。
图5为本发明的零输入电流纹波高增益直流变换器电感电流仿真波形。
图6为本发明的零输入电流纹波高增益直流变换器电容和输出电压仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供了一种可扩展的零输入电流纹波高增益直流变换器，包括直流输入电源，开关管，第一电感、第二电感，第一二极管、第二二极管、第三二极管，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和负载；直流输入电源的正极经第一电感与第二电感的一端、第一电容的一端连接，直流输入电源的负极与开关管的源极、第四电容的一端、负载的一端连接，第二电感的另一端与开关管的漏极、第一二极管的阳极、第三电容的一端连接，第一电容的另一端与第一二极管的阴极、第二二极管的阳极、第二电容的一端连接，第二二极管的阴极与第三电容的另一端、第三二极管的阳极连接，第三二极管的阴极与第二电容的另一端、第四电容的另一端、负载的另一端连接。
该零输入电流纹波高增益直流变换器将电容-二极管升压网络与电容钳位结合在一起，实现高增益和零输入电流纹波，并可通过在输出侧增加扩展单元进一步提高变换器的电压增益。该零输入电流纹波高增益直流变换器的电压增益为
Figure BDA0002371485830000041
通过在输出侧增加扩展单元可进一步提升电压增益,扩展后的电压增益为
Figure BDA0002371485830000042
其中M为扩展单元数。
本发明还提供了一种可扩展的零输入电流纹波高增益直流变换器，包括直流输入电源，开关管，第一电感、第二电感，第一二极管、第二二极管、第三二极管，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容，负载，还包括M个扩展单元，其中，第1扩展单元的第二端与第2扩展单元的第一端连接，第i扩展单元的第二端与第i+1扩展单元的第一端连接，第M-1扩展单元的第二端与第M扩展单元的第一端连接，1＜i＜M-1且M＞1；直流输入电源的正极经第一电感与第二电感的一端、第一电容的一端连接，直流输入电源的负极与开关管的源极、第四电容的一端、负载的一端连接，第二电感的另一端与开关管的漏极、第一二极管的阳极、第三电容的一端连接，第一电容的另一端与第一二极管的阴极、第二电容的一端、第二二极管的阳极，第二二极管的阴极与第三二极管的阳极、第三电容的另一端连接，第二电容的另一端与第M扩展单元的第二端、负载的另一端连接，第三二极管的阴极与第四电容的另一端相连接至第1扩展单元的第一端，M个扩展单元的第三端均与第三电容的一端连接，M个扩展单元的第四端均与第四电容的一端连接。
在本发明一实施例中，当没有扩展单元时，第三二极管的阴极直接与第二电容的另一端、负载的另一端连接，此时该零输入电流纹波高增益直流变换器的电压增益为
Figure BDA0002371485830000043
在本发明一实施例中，当仅有一个扩展单元时，所述扩展单元包括第一扩展二极管、第二扩展二极管，第一扩展电容、第二扩展电容，第一扩展二极管的阳极作为扩展单元的第一端，第一扩展二极管的阴极与第二扩展二极管的阳极、第一扩展电容的一端连接，第二扩展二极管的阴极与第二扩展电容的一端连接并作为扩展单元的第二端，第一扩展电容的另一端作为扩展单元的第三端，第二扩展电容另一端作为扩展单元的第四端，扩展单元的第一端与第三二极管的阴极与第四电容的另一端连接，扩展单元的第二端与第二电容的另一端、负载的另一端连接，扩展单元的第三端与第三电容的一端连接，扩展单元的第四端与第四电容的一端连接，此时该零输入电流纹波高增益直流变换器的电压增益为
Figure BDA0002371485830000044
在本发明一实施例中，每一扩展单元均包括第一扩展二极管、第二扩展二极管，第一扩展电容、第二扩展电容，第一扩展二极管的阳极作为扩展单元的第一端，第一扩展二极管的阴极与第二扩展二极管的阳极、第一扩展电容的一端连接，第二扩展二极管的阴极与第二扩展电容的一端连接并作为扩展单元的第二端，第一扩展电容的另一端作为扩展单元的第三端，第二扩展电容另一端作为扩展单元的第四端，此时该零输入电流纹波高增益直流变换器的电压增益为
Figure BDA0002371485830000051
以下为本发明的具体实现过程。
如图1所示，本发明的一种可扩展的零输入电流纹波高增益直流变换器，其电路包括一个输入电源、一个开关管、三个二极管、两个电感、四个电容和负载。本发明的零输入电流纹波高增益直流变换器通过将电容-二极管升压网络与电容钳位结合在一起，实现了零输入电流纹波、高增益、高转换效率，并可通过在输出侧增加扩展单元进一步提高了变换器的电压增益，非常适合于对输入电流纹波及电压增益要求较高的新能源发电系统。
本发明的零输入电流纹波高增益直流变换器的电压增益为
Figure BDA0002371485830000052
为传统Boost变换器的2倍，通过在输出侧增加扩展单元可以进一步提升电压增益，扩展后的电压增益为
Figure BDA0002371485830000053
其中M为扩展单元数。
本发明提出的零输入电流纹波高增益直流变换器工作原理如下：
高增益直流变换器在一个开关周期有两种工作模态，主要的工作波形如图2所示，图3为零输入电流纹波高增益直流变换器各模态等效电路图。
1)模态1(t0-t1)：t0时刻，开关管S导通，二极管VD1导通，二极管VDa、VDo截止，输入电源Vin通过开关管S给电感L充电,电感L电流上升；输入电源Vin与电感La、电容Ca1串联在一起通过二极管VD1和开关管S给电容C1充电；输出电容Co向负载R放电，同时通过二极管VD1、开关管S向电容Ca2和C1放电。此时电感La和L两端电压为：
v+ La＝Vin+VCa1-VC1＝Vin+VCa1+VCa2-Vo
vL +＝VC1-VCa1
2)模态2(t1-t2)：t1时刻，开关S关断，二极管VDa、VDo导通，VD1截止，输入电源Vin与电感La、电容Ca1、Ca2向电容C0充电并给负载供电，实现高增益；电感L续流，通过二极管VDa向电容Ca2充电，同时通过电容C1和二极管VDo向电容C0充电并给负载供电，电感电流下降。此时电感La、L两端电压为：
v- La＝Vin+VCa1+VCa2-Vo＝Vin+VCa1+VC1-Vo
vL -＝-VCa1。
工作特性分析
1)电压增益分析
由稳态下电感La和电感L的伏秒平衡可以得到如下关系：
Figure BDA0002371485830000061
则输出电压为：
Figure BDA0002371485830000062
其增益为：
Figure BDA0002371485830000063
2)零输入电流纹波分析
对于电感La，有：
Figure BDA0002371485830000064
当电容Ca1、Ca2和Co足够大时，可认为在一个开关周期内各电容两端电压是恒定的，则有：
Vin+vCa1+vCa2-v0＝Vin+VCa1+VCa2-V0≈0
因此电感La两端电压：
Figure BDA0002371485830000065
可见，只要选取的电容容量足够大，使得电感La两端电压纹波足够小，即使是较小的输入电感La也可以较好地实现零输入电流纹波。
所提的零输入电流纹波高增益直流变换器还可以通过在输出侧增加扩展单元进行拓展，进一步提高了直流变换器的电压增益，扩展电路图如图4所示。扩展后电压增益为
Figure BDA0002371485830000066
其中M为扩展单元数。
为验证电路的可行性，对所提电路进行了仿真，仿真参数：Vin＝36V,La＝15uH，L＝100uH，Ca1＝22uF，C1＝Ca2＝47uF，Co＝100uF，R＝1444Ω，Po＝100W,占空比D＝0.811，图5为零输入电流纹波高增益直流变换器电感电流仿真波形，可以看出，电感La电流波形几乎为一平直直线，输入电流基本实现了零纹波。图6为零输入电流纹波高增益直流变换器各个电容和输出电压仿真波形，可以看出输出电压仿真值为V0＝379.8V，与由式
Figure BDA0002371485830000071
计算出来的电压值380.9V基本一致，实现了电压增益的提升，且各个电容电压的仿真值也与计算值基本一致，验证了所提电路的可行性。
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 (5)

1.一种可扩展的零输入电流纹波高增益直流变换器，其特征在于，包括直流输入电源，开关管，第一电感、第二电感，第一二极管、第二二极管、第三二极管，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和负载；直流输入电源的正极经第一电感与第二电感的一端、第一电容的一端连接，直流输入电源的负极与开关管的源极、第四电容的一端、负载的一端连接，第二电感的另一端与开关管的漏极、第一二极管的阳极、第三电容的一端连接，第一电容的另一端与第一二极管的阴极、第二二极管的阳极、第二电容的一端连接，第二二极管的阴极与第三电容的另一端、第三二极管的阳极连接，第三二极管的阴极与第二电容的另一端、第四电容的另一端、负载的另一端连接；该零输入电流纹波高增益直流变换器的电压增益为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，通过在输出侧增加扩展单元可进一步提升电压增益，扩展后的电压增益为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为扩展单元数；其中，第1扩展单元的第二端与第2扩展单元的第一端连接，第i扩展单元的第二端与第i+1扩展单元的第一端连接，第M-1扩展单元的第二端与第M扩展单元的第一端连接，1＜i＜M-1且M＞1；直流输入电源的正极经第一电感与第二电感的一端、第一电容的一端连接，直流输入电源的负极与开关管的源极、第四电容的一端、负载的一端连接，第二电感的另一端与开关管的漏极、第一二极管的阳极、第三电容的一端连接，第一电容的另一端与第一二极管的阴极、第二电容的一端、第二二极管的阳极，第二二极管的阴极与第三二极管的阳极、第三电容的另一端连接，第二电容的另一端与第M扩展单元的第二端、负载的另一端连接，第三二极管的阴极与第四电容的另一端相连接至第1扩展单元的第一端，M个扩展单元的第三端均与第三电容的一端连接，M个扩展单元的第四端均与第四电容的一端连接。
2.根据权利要求1所述的一种可扩展的零输入电流纹波高增益直流变换器，其特征在于，该零输入电流纹波高增益直流变换器将电容-二极管升压网络与电容钳位结合在一起，实现高增益和零输入电流纹波，并可通过在输出侧增加扩展单元进一步提高变换器的电压增益。
3.一种可扩展的零输入电流纹波高增益直流变换器，其特征在于，包括直流输入电源，开关管，第一电感、第二电感，第一二极管、第二二极管、第三二极管，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容，负载，还包括M个扩展单元，其中，第1扩展单元的第二端与第2扩展单元的第一端连接，第i扩展单元的第二端与第i+1扩展单元的第一端连接，第M-1扩展单元的第二端与第M扩展单元的第一端连接，1＜i＜M-1且M＞1；直流输入电源的正极经第一电感与第二电感的一端、第一电容的一端连接，直流输入电源的负极与开关管的源极、第四电容的一端、负载的一端连接，第二电感的另一端与开关管的漏极、第一二极管的阳极、第三电容的一端连接，第一电容的另一端与第一二极管的阴极、第二电容的一端、第二二极管的阳极，第二二极管的阴极与第三二极管的阳极、第三电容的另一端连接，第二电容的另一端与第M扩展单元的第二端、负载的另一端连接，第三二极管的阴极与第四电容的另一端相连接至第1扩展单元的第一端，M个扩展单元的第三端均与第三电容的一端连接，M个扩展单元的第四端均与第四电容的一端连接。
4.根据权利要求3所述的一种可扩展的零输入电流纹波高增益直流变换器，其特征在于，当仅有一个扩展单元时，所述扩展单元包括第一扩展二极管、第二扩展二极管，第一扩展电容、第二扩展电容，第一扩展二极管的阳极作为扩展单元的第一端，第一扩展二极管的阴极与第二扩展二极管的阳极、第一扩展电容的一端连接，第二扩展二极管的阴极与第二扩展电容的一端连接并作为扩展单元的第二端，第一扩展电容的另一端作为扩展单元的第三端，第二扩展电容另一端作为扩展单元的第四端，扩展单元的第一端与第三二极管的阴极与第四电容的另一端连接，扩展单元的第二端与第二电容的另一端、负载的另一端连接，扩展单元的第三端与第三电容的一端连接，扩展单元的第四端与第四电容的一端连接，此时该零输入电流纹波高增益直流变换器的电压增益为
Figure DEST_PATH_IMAGE008
。
5.根据权利要求3所述的一种可扩展的零输入电流纹波高增益直流变换器，其特征在于，每一扩展单元均包括第一扩展二极管、第二扩展二极管，第一扩展电容、第二扩展电容，第一扩展二极管的阳极作为扩展单元的第一端，第一扩展二极管的阴极与第二扩展二极管的阳极、第一扩展电容的一端连接，第二扩展二极管的阴极与第二扩展电容的一端连接并作为扩展单元的第二端，第一扩展电容的另一端作为扩展单元的第三端，第二扩展电容另一端作为扩展单元的第四端，此时该零输入电流纹波高增益直流变换器的电压增益为
Figure DEST_PATH_IMAGE010
。
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