CN111371324A - 一种基于二极管电容网络的高增益dc-dc变换器 - Google Patents

一种基于二极管电容网络的高增益dc-dc变换器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于二极管电容网络的高增益DC‑DC变换器。包括直流输入电源，第一开关管、第二开关管，第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管，第一电感、第二电感，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容及负载。本发明的基于二极管电容网络的高增益DC‑DC变换器与传统的单开关升压变换器相比，在相同的占空比情况下具有更高的电压增益，而且开关管电压应力小，控制方便，非常适合于非隔离可再生能源发电系统。

Description

一种基于二极管电容网络的高增益DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种基于二极管电容网络的高增益DC-DC变换器。
背景技术
随着传统化石资源的日渐枯竭以及环境问题日益突出，以光伏、燃料电池、地热等为代表的可再生能源的应用与发展受到广泛的关注。可再生能源的低电压通常是18V-56V，不宜直接并网发电或者给负载供电，所以需要直流变换器将较低的电压升到200-400V或者更高的电压等级。因此，研究高电压增益的DC-DC变换器具有重要的意义。
传统的非隔离型高增益DC-DC变换器通常采用BOOST拓扑，此拓扑元器件少、控制简单，但是在实现较大电压增益时开关管工作在极限占空比状态，输出二极管的反向恢复电流尖峰很大，制约了电路效率，同时极限占空比会导致电路稳定性下降；而采用耦合电感的非隔离型升压变换器虽然可以通过改变耦合电感的匝比灵活调节电压增益，但是耦合电感引入的漏感会在开关管两端产生很大的电压尖峰，从而导致开关管应力升高，电路效率也会降低。
基于二极管-电容网络的高增益DC-DC变换器由于控制方法和硬件设计相对简单，且功率密度和效率较高，因此得到了广泛的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于二极管电容网络的高增益DC-DC变换器，与传统的单开关升压变换器相比，在相同的占空比情况下具有更高的电压增益，而且开关管电压应力小，控制方便，非常适合于非隔离可再生能源发电系统。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于二极管电容网络的高增益DC-DC变换器，包括直流输入电源，第一开关管、第二开关管，第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管，第一电感、第二电感，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容及负载；直流输入电源的正极与第一电感的一端、第二电感的一端连接，直流输入电源的负极与第一开关管的源极、第二开关管的源极、第一二极管的阴极连接，第一电感的另一端与第一开关管的漏极、第三二极管的阳极、第二电容的一端连接，第二电感的另一端与第二开关管的漏极、第一电容的一端、第三电容的一端连接，第一电容的另一端与第一二极管的阳极、第二二极管的阴极连接，第二电容的另一端与第二二极管的阳极、第四电容的一端、负载的一端连接，第三电容的另一端与第三二极管的阴极、第四二极管的阳极连接，第四二极管的阴极与第四电容的另一端、负载的另一端连接。
在本发明一实施例中，所述第一开关管、第二开关管在一个开关周期内至少有一个开关管导通，第一开关管、第二开关管的驱动信号互有交叠。
在本发明一实施例中，所述高增益DC-DC变换器的电压增益为
Figure BDA0002449266440000021
当D1＝D2＝D时，电压增益
Figure BDA0002449266440000022
其中，D1、D2分别为第一开关管和第二开关管的占空比。
在本发明一实施例中，所述高增益DC-DC变换器的工作方式如下：
(1)工作模态1[t0-t1]:t0时刻，第一开关管S1、第二开关管S2均导通，直流输入电源Vin分别加在第一电感L1、第二电感L2两端，电感电流线性上升，第一至第四二极管VD1～VD4均工作在截止状态，第一至第三电容C1～C3两端电压均保持不变，第四电容C0给负载供电；
(2)工作模态2[t1-t2]:t1时刻，第二开关管S2关断，第一开关管S1继续导通；第一电感L1电流继续线性上升，第二电感L2续流，其电流线性下降，此时，直流输入电源Vin与第二电感L2一起通过第一二极管VD1对第一电容C1充电，第一电感Vin与第二电感L2、第三电容C3、第二电容C2串联在一起通过第四二极管VD4和第一开关管S1给第四电容C0充电并给负载供电；第二二极管VD2、第三二极管VD3承受反压截止；
(3)开关模态3[t2-t3]:t2时刻，第一开关管S1、第二开关管S2均导通，这个阶段与在[t0-t1]阶段电路工作模态一致；
(4)工作模态4[t3-t4]:t3时刻，第一开关管S1关断，第二开关管S2继续导通，第二电感L2两端的电压为Vin，第二电感L2电流继续线性上升；第一电感L1续流，其电流线性下降，此时，直流输入电源Vin与第一电感L1、第一电容C1串联在一起通过第二二极管VD2和第二开关管S2对第二电容C2充电，直流输入电源Vin与第一电感L1一起通过第三二极管VD3和第二开关管S2对第三电容C3充电，第四电容C0给负载供电。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明的基于二极管电容网络的高增益DC-DC变换器与传统的单开关升压变换器相比，在相同的占空比情况下具有更高的电压增益，而且开关管电压应力小，控制方便，非常适合于非隔离可再生能源发电系统。
附图说明
图1为本发明的基于二极管电容网络的高增益DC-DC变换器。
图2为本发明的高增益DC-DC变换器主要工作波形。
图3为本发明的高增益DC-DC变换器主要工作过程。
图4为本发明的高增益DC-DC变换器主要仿真波形。
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。
本发明提供了一种基于二极管电容网络的高增益DC-DC变换器，包括直流输入电源，第一开关管、第二开关管，第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管，第一电感、第二电感，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容及负载；直流输入电源的正极与第一电感的一端、第二电感的一端连接，直流输入电源的负极与第一开关管的源极、第二开关管的源极、第一二极管的阴极连接，第一电感的另一端与第一开关管的漏极、第三二极管的阳极、第二电容的一端连接，第二电感的另一端与第二开关管的漏极、第一电容的一端、第三电容的一端连接，第一电容的另一端与第一二极管的阳极、第二二极管的阴极连接，第二电容的另一端与第二二极管的阳极、第四电容的一端、负载的一端连接，第三电容的另一端与第三二极管的阴极、第四二极管的阳极连接，第四二极管的阴极与第四电容的另一端、负载的另一端连接。
以下为本发明的具体实现过程。
如图1所述，本发明的基于二极管电容网络的高增益DC-DC变换器，包括直流输入电源，第一开关管、第二开关管，第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管，第一电感、第二电感，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容及负载。其工作模式如下：
如图2所示，开关管S1占空比为D1，开关管S2占空比为D2，两个开关管在一个开关周期内至少有一个开关管导通，即两个开关管驱动信号互有交叠。基于二极管电容网络的高增益DC-DC变换器的电压增益为
Figure BDA0002449266440000031
当D1＝D2＝D时，电压增益
Figure BDA0002449266440000032
远高于传统升压变换器(Boost变换器)的电压增益M＝1/(1-D)。
如图3所示，本发明的基于二极管电容网络的高增益DC-DC变换器，工作原理如下：
1)工作模态1[t0-t1]:t0时刻，开关管S1、S2均导通，输入电源Vin分别加在电感L1、L2两端，电感电流线性上升，二极管VD1～VD4均工作在截止状态，电容C1～C3两端电压均保持不变，输出电容C0给负载供电。
2)工作模态2[t1-t2]:t1时刻，开关管S2关断，开关管S1继续导通；电感L1电流继续线性上升，电感L2续流，其电流线性下降，此时，输入电源Vin与电感L2一起通过二极管VD1对电容C1充电，Vin与电感L2、电容C3、C2串联在一起通过二极管VD4和开关管S1给电容C0充电并给负载供电；二极管VD2、VD3承受反压截止。
3)开关模态3[t2-t3]:t2时刻开关管S1、S2均导通，这个阶段与在(t0-t1)阶段电路工作模态一致。
4)工作模态4[t3-t4]:t3时刻，开关管S1关断，S2继续导通。电感L2两端的电压为Vin，电感L2电流继续线性上升；电感L1续流，其电流线性下降，此时，输入电源Vin与电感L1、电容C1串联在一起通过二极管VD2和开关管S2对电容C2充电，Vin与电感L1一起通过二极管VD3和开关管S2对电容C3充电。输出电容C0给负载供电。
增益推导过程：
稳态时有：
Figure BDA0002449266440000041
Figure BDA0002449266440000042
Figure BDA0002449266440000043
根据电感L2伏秒平衡有：
Vin*D2Ts＝(V0-Vc2-Vc3-Vin)*(1-D2)Ts
则电压增益为：
Figure BDA0002449266440000044
当D1＝D2＝D时，电压增益
Figure BDA0002449266440000045
为验证电路的可行性，对所提的变换器进行电路仿真。取Vin＝36V，D1＝D2＝0.621，主要仿真结果如图4所示，可以看出输出电压V0＝380V，电压增益为
Figure BDA0002449266440000051
由式
Figure BDA0002449266440000052
可得M＝10.55，可见仿真结果与理论计算值基本一致。
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 (4)

1.一种基于二极管电容网络的高增益DC-DC变换器，其特征在于，包括直流输入电源，第一开关管、第二开关管，第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管，第一电感、第二电感，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容及负载；直流输入电源的正极与第一电感的一端、第二电感的一端连接，直流输入电源的负极与第一开关管的源极、第二开关管的源极、第一二极管的阴极连接，第一电感的另一端与第一开关管的漏极、第三二极管的阳极、第二电容的一端连接，第二电感的另一端与第二开关管的漏极、第一电容的一端、第三电容的一端连接，第一电容的另一端与第一二极管的阳极、第二二极管的阴极连接，第二电容的另一端与第二二极管的阳极、第四电容的一端、负载的一端连接，第三电容的另一端与第三二极管的阴极、第四二极管的阳极连接，第四二极管的阴极与第四电容的另一端、负载的另一端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于二极管电容网络的高增益DC-DC变换器，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管在一个开关周期内至少有一个开关管导通，第一开关管、第二开关管的驱动信号互有交叠。
3.根据权利要求1所述的一种基于二极管电容网络的高增益DC-DC变换器，其特征在于，所述高增益DC-DC变换器的电压增益为
Figure FDA0002449266430000011
当D1＝D2＝D时，电压增益
Figure FDA0002449266430000012
其中，D1、D2分别为第一开关管和第二开关管的占空比。
4.根据权利要求1所述的一种基于二极管电容网络的高增益DC-DC变换器，其特征在于，所述高增益DC-DC变换器的工作方式如下：
(1)工作模态1[t0-t1]:t0时刻，第一开关管S1、第二开关管S2均导通，直流输入电源Vin分别加在第一电感L1、第二电感L2两端，电感电流线性上升，第一至第四二极管VD1～VD4均工作在截止状态，第一至第三电容C1～C3两端电压均保持不变，第四电容C0给负载供电；
(2)工作模态2[t1-t2]:t1时刻，第二开关管S2关断，第一开关管S1继续导通；第一电感L1电流继续线性上升，第二电感L2续流，其电流线性下降，此时，直流输入电源Vin与第二电感L2一起通过第一二极管VD1对第一电容C1充电，第一电感Vin与第二电感L2、第三电容C3、第二电容C2串联在一起通过第四二极管VD4和第一开关管S1给第四电容C0充电并给负载供电；第二二极管VD2、第三二极管VD3承受反压截止；
(3)开关模态3[t2-t3]:t2时刻，第一开关管S1、第二开关管S2均导通，这个阶段与在[t0-t1]阶段电路工作模态一致；
(4)工作模态4[t3-t4]:t3时刻，第一开关管S1关断，第二开关管S2继续导通，第二电感L2两端的电压为Vin，第二电感L2电流继续线性上升；第一电感L1续流，其电流线性下降，此时，直流输入电源Vin与第一电感L1、第一电容C1串联在一起通过第二二极管VD2和第二开关管S2对第二电容C2充电，直流输入电源Vin与第一电感L1一起通过第三二极管VD3和第二开关管S2对第三电容C3充电，第四电容C0给负载供电。
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