CN113938002B - 基于开关电感/电容的电容钳位h型升压变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于开关电感/电容的电容钳位H型升压变换器，属于电力电子变换器领域。该变换器在Boost变换器的基础上，结合由电感、电容、二极管组成的改进型开关电感单元、由功率开关管和电容组成的电容钳位H型结构、由二极管和电容组成的开关电容单元，通过控制两个功率开关管的导通与关断，可以改变二极管的通断情况、电路中电感电容的连接方式，从而达到提升电压增益的效果。本发明在实现高电压增益的同时避免极限占空比的出现，提高了电路的安全性和可靠性，开关器件承受的电压应力较低，有助于降低开关器件的导通损耗，适用于燃料电池、光伏电池等新能源发电系统。
Description
技术领域
本发明属于电力电子变换器领域，具体涉及一种基于开关电感/电容的电容钳位H型升压变换器。
背景技术
能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础，对国民经济发展、综合国力提升有着重要的推动作用。但是，随着世界经济与科技的快速发展，传统能源消耗日益加重，能源短缺和能源过度使用所造成的环境污染逐渐成为威胁着人类的生存与发展的两大主要问题。开发高效、经济、清洁、可持续的能源已经成为人类杜会可持续发展的核心命题。
近年来，氢能作为未来绿色可持续发展的新型能源，在世界范围内得到了广泛引用，对氢能应用技术的研究逐渐成为新能源领域的研究热点。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种经过电化学反应将氢能直接转化为电能的新型发电装置，具有零排放、低温运行、低噪音、启动速度快、高比能量等优点，在新能源汽车、备用电源、航舰电源、固定电源、便携式电源以及热电供应系统等工业领域均有广泛的应用前景。但PEMFC的输出电压低、动态响应慢、输出电压波动较大等缺点，使得燃料电池无法达到电动汽车或其他工业用电的输入需求。为了解决这些问题，提高PEMFC的适用性，需要研究设计适用的高增益DC/DC升压变换器将燃料电池输出的大范围变化、不稳定的低压直流电转换为高质量、高电压、稳定的直流电。
高增益升压变换器通常分为隔离型和非隔离型。在隔离型变换器中，通过设置高频变压器的匝比可以使变换器获得较高的电压增益。但是过高的匝比会影响变压器的线性度，同时也会增加变压器的漏感，进而降低变换器的工作效率。与隔离型DC/DC变换器相比，非隔离型DC/DC变换器结构简单，转换效率高且成本低，被广泛应用于大功率或中等功率的场合。在非隔离型拓扑中，Boost变换器结构简单、灵活，是目前最常用的非隔离型DC/DC升压变换器。但是Boost变换器需要极大的占空比来实现高升压比，占空比过大会给输出侧二极管造成严重的反向恢复问题，而且开关器件的损耗较大，影响变换器的效率。为提高变换器的升压比，国内外研究学者进行了大量研究，并提出了很多解决方案。目前最常用的解决方案是通过引入开关电容/电感单元、耦合电感单元等方法对Boost变换器进行改进。基于耦合电感的升压变换器是通过改变耦合电感绕组匝比来实现较高的电压增益，但是由于漏感的影响，需要引入箝位电路抑制开关管关断电压尖峰；基于开关电感单元的升压变换器拓展了电压增益范围，但是功率器件电压应力依然较大且增益有限；基于开关电容单元的升压变换器中开关器件的电压应力较小，但电压增益有限，仅为传统Boost变换器的两倍。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于开关电感/电容的电容钳位H型升压变换器，通过控制两个功率开关管交错导通，改变电路中电感电容的连接方式、二极管的通断情况，从而达到控制电感电容充放电和提升电压增益的效果。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于开关电感/电容的电容钳位H型升压变换器，包括输入源Vin、第一电感L1、第二电感L2、第一二极管VD1、第二二极管VD2、第三二极管VD3、第四二极管VD4、第五二极管VD5、第六二极管VD6、第七二极管VD7、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、负载R；其中，输入源Vin正极接第二二极管VD2的阳极，第一电感L1一端接第二二极管VD2阳极，第一电感L1的另一端接第一二极管VD1的阳极，第二电感L2一端接第二二极管VD2的阴极，第二电感L2的另一端接第一二极管的VD1的阴极，第一电容C1的一端接第一二极管VD1的阳极，第一电容C1的另一端接第二二极管VD2的阴极，第一功率开关管S1的漏极接第一二极管VD1的阴极，第一功率开关管S1的源极接第四二极管VD4的阳极，第四二极管VD4的阴极接输入源Vin的负极，第三二极管VD3的阳极接功率开关管S1的漏极，第三二极管VD3的阴极接第二功率开关管S2的漏极，第二功率开关管S2的源极接第四二极管VD4的阴极，第二电容C2一端接第一功率开关管S1的源极，第二电容C2的另一端接第二功率开关管S2的漏极，第五二极管VD5的阳极接第二功率开关管S2的漏极，第五二极管VD5的阴极接第六二极管VD6的阳极，第六二极管VD6的阴极接第七二极管VD7的阳极，第四电容C4的一端接第五二极管VD5的阳极，第四电容C4的另一端接第六二极管VD6的阴极，第三电容C3的一端接第五二极管VD5的阴极，第三电容C3的另一端接输入源Vin的负极，第五电容C5的一端接第七二极管VD7的阴极，第五电容C5的另一端接输入源Vin的负极，负载R的一端接第七二极管VD7的阴极，负载R的另一端接输入源Vin的负极；其特征在于第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三二极管VD3、第四二极管VD4、第二电容C2共同构成电容钳位H型结构，电容钳位H型结构中第一功率开关管S1和第二功率开关管S2交错导通，将开关管占空比的范围减小到0～0.5，使得变换器在获得高电压增益的同时避免出现极限占空比的情况；第一电感L1、第二电感L2、第一二极管VD1、第二二极管VD2、第一电容C1共同构成改进型开关电感单元，通过控制第一功率开关管S1和第二功率开关管S2的导通和关断，控制第一电感L1、第二电感L2、电容C1的充放电，进而使得改进开关电感单元提供2倍的电压增益；第五二极管VD5、第六二极管VD6、第三电容C3、第四电容C4共同构成开关电容单元，通过控制第一功率开关管S1和第二功率开关管S2的导通和关断，可控制第五二极管VD5、第六二极管VD6在不同时刻导通与截止，进而使得开关电容单元提供2倍的电压增益。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)通过控制两个功率开关管的导通与关断，可以改变二极管的通断情况、电路中电感电容的连接方式，从而达到提升电压增益的效果。
(2)通过控制两个功率开关管的交错导通，将开关管占空比的范围减小到0～0.5，使得变换器在获得高电压增益的同时避免出现极限占空比的情况。
(3)开关器件承受的电压应力较低，有助于降低开关器件的导通损耗。
(4)变换器的功率开关管在一个周期内具有三种组合状态，控制灵活多变。
附图说明
图1为本发明基于开关电感/电容的电容钳位H型升压变换器电路图。
图2为本发明基于开关电感/电容的电容钳位H型升压变换器的等效电路图，其中图(a)为第一功率开关管S1导通、第二功率开关管S2关断阶段的等效电路图；图(b)为第一功率开关管S1关断、第二功率开关管S2关断阶段的等效电路图；图(c)为第一功率开关管S1关断、第二功率开关管S2导通阶段的等效电路图。
图3为本发明基于开关电感/电容的电容钳位H型升压变换器的主要波形图。
图4为本发明基于开关电感/电容的电容钳位H型升压变换器的输出电压仿真波形图。
图5为本发明基于开关电感/电容的电容钳位H型升压变换器与现有升压变换器电压增益对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。
结合图1，本发明提出一种基于开关电感/电容的电容钳位H型升压变换器，包括输入源Vin、第一电感L1、第二电感L2、第一二极管VD1、第二二极管VD2、第三二极管VD3、第四二极管VD4、第五二极管VD5、第六二极管VD6、第七二极管VD7、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、负载R；其中，输入源Vin正极接第二二极管VD2的阳极，第一电感L1一端接第二二极管VD2阳极，第一电感L1的另一端接第一二极管VD1的阳极，第二电感L2一端接第二二极管VD2的阴极，第二电感L2的另一端接第一二极管的VD1的阴极，第一电容C1的一端接第一二极管VD1的阳极，第一电容C1的另一端接第二二极管VD2的阴极，第一功率开关管S1的漏极接第一二极管VD1的阴极，第一功率开关管S1的源极接第四二极管VD4的阳极，第四二极管VD4的阴极接输入源Vin的负极，第三二极管VD3的阳极接功率开关管S1的漏极，第三二极管VD3的阴极接第二功率开关管S2的漏极，第二功率开关管S2的源极接第四二极管VD4的阴极，第二电容C2一端接第一功率开关管的S1的源极，第二电容C2的另一端接第二功率开关管S2的漏极，第五二极管VD5的阳极接第二功率开关管S2的漏极，第五二极管VD5的阴极接第六二极管VD6的阳极，第六二极管VD6的阴极接第七二极管VD7的阳极，第四电容C4的一端接第五二极管VD5的阳极，第四电容C4的另一端接第六二极管VD6的阴极，第三电容C3的一端接第五二极管VD5的阴极，第三电容C3的另一端接输入源Vin的负极，第五电容C5的一端接第七二极管VD7的阴极，第五电容C5的另一端接输入源Vin的负极，负载R的一端接第七二极管VD7的阴极，负载R的另一端接输入源Vin的负极；其特征在于第一电感L1、第二电感L2、第一二极管VD1、第二二极管VD2、第一电容C1共同构成改进型开关电感单元1，通过控制第一功率开关管S1和第二功率开关管S2的导通和关断，控制第一电感L1、第二电感L2、电容C1的充放电，进而使得改进开关电感单元1提供较高的电压增益；第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三二极管VD3、第四二极管VD4、第二电容C2共同构成电容钳位H型结构2，电容钳位H型结构2中第一功率开关管S1和第二功率开关管S2交错导通，将开关管占空比的范围减小到0～0.5，使得变换器在获得高电压增益的同时避免出现极限占空比的情况；第五二极管VD5、第六二极管VD6、第三电容C3、第四电容C4共同构成开关电容单元3，通过控制第一功率开关管S1和第二功率开关管S2的导通和关断，可控制第五二极管VD5、第六二极管VD6在不同时刻导通与截止，进而使得开关电容单元3提供较高的电压增益。
基于开关电感/电容的电容钳位H型升压变换器，第一功率开关管S1和第二功率开关管S2在一个周期采用交错控制策略，且保证第一功率开关管S1和第二功率开关管S2的占空比均小于0.5。按照第一功率开关S1和第二功率开关的工作状态，电路的可以分为如图2所示的三种工作模态。假设输入源Vin两端电压为Vin、第一电感L1两端电压为VL1、第二电感L2两端电压为VL2、第一电容C1两端电压为VC1、第二电容C2两端电压为VC2、第三电容C3两端电压为VC3、第四电容C4两端电压为VC4、第五电容C5两端电压为VC5、负载R两端输出电压为Vo、第一功率开关管S1占空比为d、第二功率开关管S2占空比为d、开关周期为T，对三种工作模态进行详细介绍：
本发明基于开关电感/电容的电容钳位H型升压变换器的主要波形图如图3所示，在一个开关周期(t0～t4)内，变换器有三种工作模态。t0～t1阶段等效电路图如图2(a)所示，第一功率开关管S1导通、第二功率开关管S2关断，第一二极管VD1、第二二极管VD2、第四二极管VD4、第五二极管VD5、第七二极管VD7导通，第三二极管VD3、第六二极管VD6承受反压关断；输入源Vin分别给第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1充电，第二电容C2、第四电容C4、第五电容C5共同给负载R供电。t1～t2和t3～t4阶段等效电路图如图2(b)所示，第一功率开关管S1关断、第二功率开关管S2关断，第三二极管VD3、第四二极管VD4、第五二极管VD5、第七二极管VD7导通，第一二极管VD1、第二二极管VD2、第六二极管VD6承受反压关断；输入源Vin、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1共同给第二电容C2、第三电容C3充电，输入源Vin、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第四电容C4共同给第五电容C5充电，输入源Vin、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第四电容C4共同给负载R供电。t2～t3阶段等效电路图如图2(c)所示，第一功率开关管S1关断、第二功率开关管S2导通，第一二极管VD1、第二二极管VD2、第三二极管VD3、第六二极管VD6导通，第四二极管VD4、第五二极管VD5、第七二极管VD7承受反压关断；输入源Vin分别给第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1充电，第三电容C3给第四电容C4充电，第五电容C5给负载R供电。
在t0～t1即第一功率开关管S1导通、第二功率开关管S2关断阶段满足如下关系式：
在t1～t2和t3～t4即第一功率开关管S1关断、第二功率开关管S2关断阶段满足如下关系式：
在t2～t3即第一功率开关管S1关断、第二功率开关管S2导通阶段满足如下关系式：
在一个开关周期中，由电感伏秒平衡可得：
联立式(1)、(2)、(3)、(4)可得：
由于在一个开关周期中，电容两端的电压可以近似保持不变，则可根据式(1)、(2)、(3)推得：
联立式(5)、(6)可得变换器输出电压Vo和输入电压Vin的关系：
则该变换器的电压增益可以表示为：
此外，第一功率开关管S1和第二功率开关管S2关断时受到的电压应力为：
第三二极管VD3、第四二极管VD4、第五二极管VD5、第六二极管VD6、第七二极管VD7承受反压关断时受到的电压应力为：
第一二极管VD1、第二二极管VD2在承受反压关断时受到的电压应力为
综合式(9)～(11)，可以看出本发明中开关器件承受的电压应力较低，有助于降低开关器件的导通损耗。
如图4所示，当输入电压为10V，第一功率开关管S1、第二功率开关管S2的占空比d均设置为0.3时，输出电压可保持在100附近，与理论计算值相近，验证了本发明在较小的占空比下，具有高电压增益的特点。
在传统Boost变换器中引入开关电感单元虽然可以提高电压增益，但电压增益提升有限且功率开关管的电压应力较大，引入开关电容单元虽然能够减小功率开关管的电压应力，但电压增益仍然有限。而基于开关电感/电容的电容钳位H型升压变换器在Boost变换器的基础上同时引入改进型开关电感单元1和开关电容单元3，在进一步提高变换器电压增益的同时能够减小开关器件的电压应力。此外，基于开关电感/电容的电容钳位H型升压变换器设计了电容钳位H型结构2，电容钳位H型结构2中第一功率开关管S1和第二功率开关管S2交错导通，将一个导通周期分成两个，减小了单个开关管的占空比，使得变换器在获得高电压增益的同时避免出现极限占空比的情况。如图5所示，基于开关电感/电容的电容钳位H型升压变换器与传统Boost变换器、基于开关电感单元的升压变换器相比，在较小的占空比下，具有更高的电压增益。
Claims (5)
1.一种基于开关电感/电容的电容钳位H型升压变换器，其特征在于：包括输入源Vin、改进型开关电感单元（1）、电容钳位H型结构（2）、开关电容单元（3）、第七二极管VD7、第五电容C5和负载R，电容钳位H型结构（2）包括第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三二极管VD3、第四二极管VD4、第二电容C2，电容钳位H型结构（2）中第一功率开关管S1和第二功率开关管S2交错导通，将开关管占空比的范围减小到0~0.5，使得变换器在获得高电压增益的同时避免出现极限占空比的情况；改进型开关电感单元（1）包括第一电感L1、第二电感L2、第一二极管VD1、第二二极管VD2、第一电容C1，通过控制第一功率开关管S1和第二功率开关管S2的导通和关断，控制第一电感L1、第二电感L2、电容C1的充放电，进而使得改进开关电感单元（1）提供2倍电压增益；开关电容单元（3）包括第五二极管VD5、第六二极管VD6、第三电容C3、第四电容C4，通过控制第一功率开关管S1和第二功率开关管S2的导通和关断，控制第五二极管VD5、第六二极管VD6在不同时刻导通与截止，进而使得开关电容单元（3）提供2倍的电压增益；
输入源Vin正极接第二二极管VD2的阳极，第一电感L1一端接第二二极管VD2阳极，第一电感L1的另一端接第一二极管VD1的阳极，第二电感L2一端接第二二极管VD2的阴极，第二电感L2的另一端接第一二极管的VD1的阴极，第一电容C1的一端接第一二极管VD1的阳极，第一电容C1的另一端接第二二极管VD2的阴极，第一功率开关管S1的漏极接第一二极管VD1的阴极，第一功率开关管S1的源极接第四二极管VD4的阳极，第四二极管VD4的阴极接输入源Vin的负极，第三二极管VD3的阳极接第一功率开关管S1的漏极，第三二极管VD3的阴极接第二功率开关管S2的漏极，第二功率开关管S2的源极接第四二极管VD4的阴极，第二电容C2一端接第一功率开关管S1的源极，第二电容C2的另一端接第二功率开关管S2的漏极，第五二极管VD5的阳极接第二功率开关管S2的漏极，第五二极管VD5的阴极接第六二极管VD6的阳极，第六二极管VD6的阴极接第七二极管VD7的阳极，第四电容C4的一端接第五二极管VD5的阳极，第四电容C4的另一端接第六二极管VD6的阴极，第三电容C3的一端接第五二极管VD5的阴极，第三电容C3的另一端接输入源Vin的负极，第五电容C5的一端接第七二极管VD7的阴极，第五电容C5的另一端接输入源Vin的负极，负载R的一端接第七二极管VD7的阴极，负载R的另一端接输入源Vin的负极。
2.根据权利要求1所述的基于开关电感/电容的电容钳位H型升压变换器，其特征在于：所述第一功率开关管S1和第二功率开关管S2在一个周期采用交错控制策略，且保证第一功率开关管S1和第二功率开关管S2的占空比均小于0.5。
3.根据权利要求1所述的基于开关电感/电容的电容钳位H型升压变换器，其特征在于：在第一功率开关管S1导通、第二功率开关管S2关断阶段，第一二极管VD1、第二二极管VD2、第四二极管VD4、第五二极管VD5、第七二极管VD7导通，第三二极管VD3、第六二极管VD6承受反压关断；输入源Vin分别给第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1充电，第二电容C2、第四电容C4、第五电容C5共同给负载R供电。
4.根据权利要求1所述的基于开关电感/电容的电容钳位H型升压变换器，其特征在于：在第一功率开关管S1关断、第二功率开关管S2关断阶段，第三二极管VD3、第四二极管VD4、第五二极管VD5、第七二极管VD7导通，第一二极管VD1、第二二极管VD2、第六二极管VD6承受反压关断；输入源Vin、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1共同给第二电容C2、第三电容C3充电，输入源Vin、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第四电容C4共同给第五电容C5充电，输入源Vin、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第四电容C4共同给负载R供电。
5.根据权利要求1所述的基于开关电感/电容的电容钳位H型升压变换器，其特征在于：在第一功率开关管S1关断、第二功率开关管S2导通阶段，第一二极管VD1、第二二极管VD2、第三二极管VD3、第六二极管VD6导通，第四二极管VD4、第五二极管VD5、第七二极管VD7承受反压关断；输入源Vin分别给第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1充电，第三电容C3给第四电容C4充电，第五电容C5给负载R供电。
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