CN114285281B - 一种准开关电容型高增益dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准开关电容型高增益DC‑DC变换器，第一电感L₁的一端与直流输入电压源V_in的正极相连，第一电感L₁的另一端分别与第二电容C₂的负极、第一二极管D₁的正极、第一MOS管S₁的漏极相连，第一MOS管S₁的源极分别与第一电容C₁的负极、第三二极管D₃的正极相连，第一二极管D₁的负极与第二二极管D₂的正极相连，第一电容C₁的正极分别与第一二极管D₁的负极、第二二极管D₂的正极相连，第二二极管D₂的负极分别与第二电容C₂的正极、第二MOS管S₂的漏极、第四二极管D₄的正极相连，第四二极管D₄的负极与第三电容C₃的正极相连，第三电容C₃的负极、第二MOS管S₂的源极、第三二极管D₃的负极均与直流输入电压源V_in的负极相连，第三电容C₃的两端用于并联负载且为负载供电。

Description

一种准开关电容型高增益DC-DC变换器

技术领域

本发明涉及一种准开关电容型高增益DC-DC变换器。

背景技术

随着全球环境污染和能源短缺的问题日益严峻，可再生能源的发展得到高度重视，其中，以太阳能为基础的光伏新能源有着开发资源丰富的优势，被视为最具前景的可再生能源之一。然而光伏电池的输出电压等级较低，单块光伏板的输出电压通常为25-40V左右，对于220V的并网系统，需采用高增益DC-DC变换器(Direct current-Direct currentconverter)进行升压以满足并网逆变器直流侧的电压等级要求。

传统的Boost变换器结构简单且易控制，但其升压能力存在很大的局限性，难以满足光伏系统的要求。为了解决增益和效率低的问题，彭方正教授提出一种Z源升压变换器，其电压增益相对于Boost变换器大大提高，主开关的开关导通时间较短，有利于散热，且升压网络拓扑简单，不需要有源器件，有利于节省系统成本。但其仍存在输入侧电流呈断续状态、输出端主开关电压应力大、存在启动冲击电流等问题，易对变换器造成损坏。

传统Z源网络的阻抗网络极大地增加了变换器的体积和成本，且对称的阻抗网络要求器件参数设计要有很高的一致性，否则可能引起系统工作不稳定。为解决这个问题，Adda等人提出一种新型拓扑，称之为开关升压网络，该拓扑相对于传统Z源网络使用了更少的无源器件，有利于减小变换器的尺寸和重量，且降低了开关管的电压应力，但也存在电容电压应力较大、电路升压能力只有传统Z源升压网络的(1-D)倍等问题，限制了其在高增益场合中的应用，其中，D为占空比。

针对基本开关升压逆变器所存在的不足，SoumyaShubhra Nag等人提出一种改进型开关升压网络，称之为准开关升压网络，其结合了传统Z源升压网络和开关升压网络的优势，在减少所需器件数量的同时保持了和传统Z源网络一样的电压增益，但其电容电压应力仍较高。为进一步提高准开关升压网络的性能，可将开关电感单元加入到准开关升压变换器中，该方法提高了电路的电压增益，不足的是其输入电流纹波大，开关管、电容电压应力高。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种准开关电容型高增益DC-DC变换器，克服现有技术的不足，具有输入电流连续且输入电流纹波较小的特性，且能够实现较高的电压增益，同时减小电容、功率开关管和二极管上的电压应力，提高DC-DC变换器转换效率。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种准开关电容型高增益DC-DC变换器，包括第一电感L₁、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第一电容C₁和第二电容C₂，还包括第一MOS管S₁、第二MOS管S₂、第四二极管D₄、第三电容C₃：

所述第一电感L₁的一端与直流输入电压源V_in的正极相连，第一电感L₁的另一端分别与第二电容C₂的负极、第一二极管D₁的正极、第一MOS管S₁的漏极相连，所述第一MOS管S₁的源极分别与第一电容C₁的负极、第三二极管D₃的正极相连，第一二极管D₁的负极与第二二极管D₂的正极相连，第一电容C₁的正极分别与第一二极管D₁的负极、第二二极管D₂的正极相连，第二二极管D₂的负极分别与第二电容C₂的正极、第二MOS管S₂的漏极、第四二极管D₄的正极相连，第四二极管D₄的负极与第三电容C₃的正极相连，第三电容C₃的负极、第二MOS管S₂的源极、第三二极管D₃的负极均与直流输入电压源V_in的负极相连，所述第三电容C₃的两端用于并联负载且为负载供电。

优选，所述第一MOS管S₁为N沟道增强型MOS场效应管。

优选，所述第二MOS管S₂为N沟道增强型MOS场效应管。

优选，所述第一电容C₁、第二电容C₂和第三电容C₃均为电解电容。

优选，第一MOS管S₁和第二MOS管S₂的占空比相同且均为D。

优选，所述D取值为0到0.5。

本发明的有益效果是：

本发明的准开关电容型高增益DC-DC变换器将开关电容与准开关升压网络结合，开关电容单元运用在DC-DC变换器中能够实现电压增益的提升，同时开关电容的分压作用可以减小开关器件的电压应力，选择低导通电阻的功率开关，使得输出侧二极管D₄承受的反向电压降低，反向恢复损耗减小，能够有效地提高DC-DC变换器的工作效率。具有输入电流连续且输入电流纹波较小的特性，能够实现较高的电压增益，同时减小电容、功率开关管和二极管上的电压应力，提高DC-DC变换器的转换效率。

附图说明

图1是本发明一种准开关电容型高增益DC-DC变换器的主体电路原理示意图；

图2是本发明DC-DC变换器在第一MOS管S₁和第二MOS管S₂导通时的等效电路示意图；

图3是本发明DC-DC变换器在第一MOS管S₁和第二MOS管S₂关断时的等效电路示意图；

图4是本发明的电压增益曲线与传统Z源升压变换器、准开关升压变换器和开关电感型准开关升压变换器的电压增益曲线对比示意图；

图5是本发明高增益DC-DC变换器在V_in＝50V，第一MOS管S₁和第二MOS管S₂导通占空比D＝0.3时进行仿真所得的主要工作波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，一种准开关电容型高增益DC-DC变换器，包括第一电感L₁、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第一电容C₁和第二电容C₂，还包括第一MOS管S₁、第二MOS管S₂、第四二极管D₄、第三电容C₃。

其中，第一电感L₁、第一MOS管S₁、第一二极管D₁、第三二极管D₃和第一电容C₁组成准开关升压单元，第二电容C₂和第二二极管D₂组成开关电容单元，第二MOS管S₂、第四二极管D₄、第三电容C₃和负载组成输出端。具体的电路连接结构如图1所示：

所述第一电感L₁的一端与直流输入电压源V_in的正极相连，第一电感L₁的另一端分别与第二电容C₂的负极、第一二极管D₁的正极、第一MOS管S₁的漏极相连，所述第一MOS管S₁的源极分别与第一电容C₁的负极、第三二极管D₃的正极相连，第一二极管D₁的负极与第二二极管D₂的正极相连，第一电容C₁的正极分别与第一二极管D₁的负极、第二二极管D₂的正极相连，第二二极管D₂的负极分别与第二电容C₂的正极、第二MOS管S₂的漏极、第四二极管D₄的正极相连，第四二极管D₄的负极与第三电容C₃的正极相连，第三电容C₃的负极、第二MOS管S₂的源极、第三二极管D₃的负极均与直流输入电压源V_in的负极相连，所述第三电容C₃的两端用于并联负载R_l且为负载供电。

本发明的一种准开关电容型高增益DC-DC变换器的电路拓扑结构，其开关升压拓扑拥有连续的输入电流，能够实现高电压增益，同时降低了电容、开关管和二极管上的电压应力及电流应力。

图1中，所述第一电容C₁、第二电容C₂和第三电容C₃均为电解电容。

优选，所述第一MOS管S₁为N沟道增强型MOS场效应管，所述第二MOS管S₂为N沟道增强型MOS场效应管，假发第一MOS管S₁和第二MOS管S₂的占空比相同且均为D，开关MOS管S₁、S₂同时开断，高增益DC-DC变换器在一个周期内可分为两种工作模态：

阶段一，电路回路如图2所示：当第一MOS管S₁和第二MOS管S₂导通时，第二二极管D₂导通，第一二极管D₁、第三二极管D₃、第四二极管D₄均关断。此时，电压源V_in、第一电容C₁放电共同给第一电感L₁充电；第一电容C₁、第二电容C₂形成回路，第二电容C₂处在充电状态；第三电容C₃放电来给负载R_l供电。

阶段二，电路回路如图3所示：当第一MOS管S₁和第二MOS管S₂关断时，第二二极管D₂关断，第一二极管D₁、第三二极管D₃、第四二极管D₄均导通。此时，电压源V_in、第一电感L₁和第二电容C₂串联在一起共同给第三电容C₃充电并向负载R_l提供能量，形成回路；电压源V_in和第一电感L₁串联在一起给第一电容C₁充电，形成回路。

在一个周期T_s内，设第一MOS管S₁、第二MOS管S₂的工作占空比均为D，设流入第一电感L₁的电流为i_L1，第一电感L₁两端的电压为V_L1，当第一MOS管S₁和第二MOS管S₂导通时，第一电感L₁两端的电压为V_{L1_on}，当第一MOS管S₁和第二MOS管S₂关断时，第一电感L₁两端的电压为V_{L1_off}，设第一电容C₁和第二电容C₂两端的电压分别为V_C1和V_C2，设输出电压为V_O：

在阶段一，第一MOS管S₁和第二MOS管S₂导通，导通时间为DT_s，对应等效电路如图2所示，应用基尔霍夫定理可得如下公式：

在阶段二，第一MOS管S₁和第二MOS管S₂关断，关断时间为(1-D)T_s，对应等效电路如图3所示，应用基尔霍夫定理可得如下公式：

在电路处于稳态时，一个周期内电感上的平均电压为0，对第一电感L₁应用伏秒平衡原理，可得如下公式：

(V_in+V_C1)D+(V_in-V_C1)(1-D)＝0 (3)

进一步计算得到第一电容C₁的电压V_C1与直流输入电压源V_in的关系为：

将式(4)带入式(2)和式(3)中，得到：

则本发明专利高增益DC-DC变换器的电压增益M为：

本发明与传统Z源升压变换器相比，由于电源位于电感支路，因此具有输入电流连续的特性；本发明与准开关升压变换器相比，在升压网络中加入开关电容单元，能够实现较高的电压增益；本发明与开关电感型准开关升压变换器相比，输入电流纹波较小，降低了电容、功率开关管和二极管上的电压应力。

图4是本发明的电压增益曲线与传统Z源升压变换器、准开关升压变换器和开关电感(SL)型准开关升压变换器的电压增益曲线对比图。由图4可知，与现有的其他高增益DC-DC变换器相比，本发明高增益DC-DC变换器能够获得更高的电压增益；在占空比大于0.22时，SL准开关升压变换器电压增益会更高，但其存在输入电流纹波大、电容和开关管电压应力大的缺陷。因此，优选D取值为0至0.5，其中，D取值为0到0.5时，其增益相较于准开关升压变换器、Z源升压变换器来说更高；D取值为0到0.22时，其增益相较于SL-准开关升压变换器来说更高。

为验证电路的可行性，对所述电路进行仿真，图5是本发明高增益DC-DC变换器在V_in＝50V，第一MOS管S₁和第二MOS管S₂导通占空比D＝0.3时仿真所得的主要工作波形图。图5中的电路波形从上至下依次为：第一MOS管S₁和第二MOS管S₂的驱动信号、第一MOS管S₁两端电压V_S1的波形、第二MOS管S₂两端电压V_S2的波形、第一电容电压V_C1的波形、第二电容电压V_C2的波形、第一电感电流i_L1的波形、输出电压V_O的波形。由图5可得，在D＝0.3时，电压增益M＝5，输出电压V_O＝250V；第一电容电压V_C1等于第二电容电压V_C2，均为125V；第一MOS管S₁两端电压V_S1＝125V，第二MOS管S₂两端电压V_S2＝250V，各变量的值与理论推导所得的值一致，开关管、电容上的电压低于输出电压V_O，降低了其上的电压应力。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种准开关电容型高增益DC-DC变换器，包括第一电感L₁、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第一电容C₁和第二电容C₂，其特征在于，还包括第一MOS管S₁、第二MOS管S₂、第四二极管D₄、第三电容C₃：

所述第一电感L₁的一端与直流输入电压源V_in的正极相连，第一电感L₁的另一端分别与第二电容C₂的负极、第一二极管D₁的正极、第一MOS管S₁的漏极相连，所述第一MOS管S₁的源极分别与第一电容C₁的负极、第三二极管D₃的正极相连，第一二极管D₁的负极与第二二极管D₂的正极相连，第一电容C₁的正极分别与第一二极管D₁的负极、第二二极管D₂的正极相连，第二二极管D₂的负极分别与第二电容C₂的正极、第二MOS管S₂的漏极、第四二极管D₄的正极相连，第四二极管D₄的负极与第三电容C₃的正极相连，第三电容C₃的负极、第二MOS管S₂的源极、第三二极管D₃的负极均与直流输入电压源V_in的负极相连，所述第三电容C₃的两端用于并联负载且为负载供电；

当第一MOS管S₁和第二MOS管S₂导通时，第二二极管D₂导通，第一二极管D₁、第三二极管D₃、第四二极管D₄均关断，此时，电压源V_in、第一电容C₁放电共同给第一电感L₁充电；第一电容C₁、第二电容C₂形成回路，第二电容C₂处在充电状态；第三电容C₃放电来给负载R₁供电；

当第一MOS管S₁和第二MOS管S₂关断时，第二二极管D₂关断，第一二极管D₁、第三二极管D₃、第四二极管D₄均导通，此时，电压源V_in、第一电感L₁和第二电容C₂串联在一起共同给第三电容C₃充电并向负载R_l提供能量，形成回路；电压源V_in和第一电感L₁串联在一起给第一电容C₁充电，形成回路。

2.根据权利要求1所述的一种准开关电容型高增益DC-DC变换器，其特征在于，所述第一MOS管S₁为N沟道增强型MOS场效应管。

3.根据权利要求2所述的一种准开关电容型高增益DC-DC变换器，其特征在于，所述第二MOS管S₂为N沟道增强型MOS场效应管。

4.根据权利要求1所述的一种准开关电容型高增益DC-DC变换器，其特征在于，所述第一电容C₁、第二电容C₂和第三电容C₃均为电解电容。

5.根据权利要求3所述的一种准开关电容型高增益DC-DC变换器，其特征在于，第一MOS管S₁和第二MOS管S₂的占空比相同且均为D。

6.根据权利要求5所述的一种准开关电容型高增益DC-DC变换器，其特征在于，所述D取值为0到0.5。