CN113179015A - 一种基于z升压结构的高增益dc-dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力电子变换器领域，公开了一种基于Z升压结构的高增益DC‑DC变换器，包括一个直流输入电源、6个电容、4个电感、7个二极管以及一个开关管和负载。本发明变换器是在Cuk变换器基础上，增加了Z升压结构和开关电感结构，在相同占空比下增益有明显提高，并降低了元器件所承受的电压应力和电流应力，更好的保护了开关管，增加了开关管使用寿命。

Description

一种基于Z升压结构的高增益DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及一种直流-直流变换器，具体涉及一种基于Z升压结构的高增益DC-DC变换器，属于电力电子变换器领域。
背景技术
直流变换器伴随着以太阳能电源、风力发电、燃料电池为代表的新型电源和以化学电源、超级电容为代表的电能存贮设备的发展而发展起来的，并将随着这类无污染电源的广泛应用而得到广发应用。然而，由于受实际电路寄生参数(如电感等收串联电阻、电容等效串联电阻等)的影响，当需要较高的电压增益时，传统的Boost变换器就会显现出较多的不足。例如，增大其电压增益最为直接有效的方法就是增大开关管的导通占空比，可是，较大的占空比不仅会使开关导通时间增长，增加导通损耗，而且会降低电路的效率。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种基于Z升压结构的高增益DC-DC变换器。
为实现以上目的，本发明提供的一种基于Z升压结构的高增益DC-DC变换器，采用如下技术方案：
一种基于Z升压结构的高增益DC-DC变换器，包括直流输入电源，所述直流输入电源正极分别与电容C1一端和电感L1一端相连，所述直流输入电源负极分别与电容C6一端、二极管D7阴极和功率开关管S的源极相连，所述电容C1的另一端分别与二极管D1的负极、二极管D2的阳极、电感L2的一端和二极管D5的阳极相连，所述电感L1的另一端分别与二极管D1阳极和电容C2一端相连，所述电感L2的另一端分别与二极管D3的阳极和二极管D4的阳极相连，所述二极管D2的阴极分别与二极管D3的阴极和电感L3的一端相连，所述功率开关管S的漏极分别与电容C2的另一端、电感L3的另一端、二极管D4的阴极和电容C3的一端相连，所述电容C3的另一端分别与二极管D7的阳极、电感L4的一端和电容C4的一端相连，所述电感L4的另一端与电容C6另一端和二极管D6的阴极相连，所述电容C4的另一端与电容C5的一端、负载R的一端和二极管D6的阳极相连，所述二极管D5的阴极分别与电容C5的另一端和负载R的另一端相连。
本发明基于Z升压结构的高增益DC-DC变换器的工作过程如下：其工作一个周期内，有三个工作模式，工作模式一为开关管S导通；工作模式二为开关管S断开，二极管D2反向偏置；工作模式三为开关管S断开而且二极管D2导通。
进一步地，工作模式一模态下：开关管S处于导通状态，二极管D1、二极管D6和二极管D7反向偏置不导通，二极管D5导通；直流输入电源和电容C2为电感L1充电；直流输入电源和电容C1为电感L2和电感L3充电；直流输入电源和电容C1、电容C3、电容C4为负载充电；电容C3为电容C6和电感L4充电。
工作模式二模态下：开关管S处于关断状态，此时由于电容C6的电压小于电容C4的电压，二极管D5反向偏置不导通，二极管D1、二极管D6和二极管D7导通；直流输入电源、电感L1、电感L2、电感L3和电容C6为电容C3和电容C4充电；电感L1为电容C1充电；电感L2、L3为电容C2充电；电感L4为电容C4充电。
工作模式三模态下：在模态二中由于电容C4在充电，电压不断增大，电容C6放电，电压不断减小，当电容C4和电容C6电压相等时，第三个模态开始，电感L4为电容C6充电。
本发明的基于Z升压结构的高增益DC-DC变换器是在Cuk变换器基础上，增加了Z升压结构和开关电感结构，在相同占空比下增益有明显提高，电压增益为
Figure BDA0003063230200000021
并降低了元器件所承受的电压应力和电流应力，更好的保护了开关管，增加了开关管使用寿命。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为一个周期内的开关工作时间；
图2为系统在to-t1时间内，工作在工作模式一下的系统状态；
图3为系统在t1-t2时间内，工作在工作模式二下的系统状态；
图4为系统在t2-t3时间内，工作在工作模式三下的系统状态。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种基于Z升压结构的高增益DC-DC变换器，包括一个直流输入电源、6个电容、4个电感、7个二极管以及一个开关管和负载，所述直流输入电源正极分别与电容C1一端和电感L1一端相连，所述直流输入电源负极分别与电容C6一端、二极管D7阴极和功率开关管S的源极相连，所述电容C1的另一端分别与二极管D1的负极、二极管D2的阳极、电感L2的一端和二极管D5的阳极相连，所述电感L1的另一端分别与二极管D1阳极和电容C2一端相连，所述电感L2的另一端分别与二极管D3的阳极和二极管D4的阳极相连，所述二极管D2的阴极分别与二极管D3的阴极和电感L3的一端相连，所述功率开关管S的漏极分别与电容C2的另一端、电感L3的另一端、二极管D4的阴极和电容C3的一端相连，所述电容C3的另一端分别与二极管D7的阳极、电感L4的一端和电容C4的一端相连，所述电感L4的另一端与电容C6另一端和二极管D6的阴极相连，所述电容C4的另一端与电容C5的一端、负载R的一端和二极管D6的阳极相连，所述二极管D5的阴极分别与电容C5的另一端和负载R的另一端相连。
本发明基于Z升压结构的高增益DC-DC变换器的工作过程如下：
如图1所示，为变换器开关工作时间，其工作一个周期总时间为TS，变换器有三个工作模式，工作模式一为开关管S导通，其导通时间为Ton(dTS)；工作模式二为开关管S断开，二极管D2反向偏置截止时间为d2TS；工作模式三为开关管S断开而且二极管D2导通。开关管S断开总时间为Toff。
三种工作模式具体如下：
工作模式一(t0-t1)如图2所示：在此模态下，开关管S处于导通状态，二极管D1、二极管D6和二极管D7反向偏置不导通，二极管D5导通。直流输入电源和电容C2为电感L1充电；直流输入电源和电容C1为电感L2和电感L3充电；直流输入电源和电容C1、电容C3、电容C4为负载充电；电容C3为电容C6和电感L4充电。
根据基尔霍夫电压定律(KVL)，可以得到：
Uin+UC2＝UL1
Uin+UC1＝UL2+UL3
Uin+UC1+UC3+UC4＝UR
UC3+UC6＝UL4
工作模式二(t1-t2)如图3所示：在此模态下，开关管S处于关断状态，此时由于电容C6的电压小于电容C4的电压，二极管D5反向偏置不导通，二极管D1、二极管D6和二极管D7导通；直流输入电源、电感L1、电感L2、电感L3和电容C6为电容C3和C4充电；电感L1为电容C1充电；电感L2、L3为电容C2充电；电感L4为电容C4充电。
Uin+UL1+UL2+UL3+UC6＝UC3+UC4
UL1＝UC1
UL2+UL3＝UC2
UL4＝UC4
工作模式三(t2-t3)如图4所示：在上一模态中由于电容C4在充电，电压不断增大，电容C6放电，电压不断减小，当两者电压相等(UC6＝UC4)时，第三个模态开始，这一模态与上一模态相似，但在这一模态电感L4为电容C6充电。
UL4＝UC6
通过计算，可以得到稳态时变换器负载的电压增益为：
Figure BDA0003063230200000041
(其中，d为占空比)
二极管的电压应力为：
Figure BDA0003063230200000042
开关管的电压应力：
Figure BDA0003063230200000051
开关管的电流应力：
Figure BDA0003063230200000052
这比传统的Boost升压变换器的在同等的占空比下(传统Boost电路的电压增益为
Figure BDA0003063230200000053
)，有了更大的电压增益，并且开关管的电流、电压应力减少，更好的保护了开关管，增加了开关管使用寿命。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种基于Z升压结构的高增益DC-DC变换器，其特征在于，包括直流输入电源，所述直流输入电源正极分别与电容C1一端和电感L1一端相连，所述直流输入电源负极分别与电容C6一端、二极管D7阴极和功率开关管S的源极相连，所述电容C1的另一端分别与二极管D1的负极、二极管D2的阳极、电感L2的一端和二极管D5的阳极相连，所述电感L1的另一端分别与二极管D1阳极和电容C2一端相连，所述电感L2的另一端分别与二极管D3的阳极和二极管D4的阳极相连，所述二极管D2的阴极分别与二极管D3的阴极和电感L3的一端相连，所述功率开关管S的漏极分别与电容C2的另一端、电感L3的另一端、二极管D4的阴极和电容C3的一端相连，所述电容C3的另一端分别与二极管D7的阳极、电感L4的一端和电容C4的一端相连，所述电感L4的另一端与电容C6另一端和二极管D6的阴极相连，所述电容C4的另一端与电容C5的一端、负载R的一端和二极管D6的阳极相连，所述二极管D5的阴极分别与电容C5的另一端和负载R的另一端相连。
2.根据权利要求1所述基于Z升压结构的高增益DC-DC变换器，其特征在于，工作过程如下：其工作一个周期内，有三个工作模式，工作模式一为开关管S导通；工作模式二为开关管S断开，二极管D2反向偏置；工作模式三为开关管S断开而且二极管D2导通。
3.根据权利要求2所述基于Z升压结构的高增益DC-DC变换器，其特征在于，工作模式一模态下：开关管S处于导通状态，二极管D1、二极管D6和二极管D7反向偏置不导通，二极管D5导通；直流输入电源和电容C2为电感L1充电；直流输入电源和电容C1为电感L2和电感L3充电；直流输入电源和电容C1、电容C3、电容C4为负载充电；电容C3为电容C6和电感L4充电；
工作模式二模态下：开关管S处于关断状态，此时由于电容C6的电压小于电容C4的电压，二极管D5反向偏置不导通，二极管D1、二极管D6和二极管D7导通；直流输入电源、电感L1、电感L2、电感L3和电容C6为电容C3和电容C4充电；电感L1为电容C1充电；电感L2、L3为电容C2充电；电感L4为电容C4充电；
工作模式三模态下：在模态二中由于电容C4在充电，电压不断增大，电容C6放电，电压不断减小，当电容C4和电容C6电压相等时，第三个模态开始，电感L4为电容C6充电。
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