CN114567163A

CN114567163A - 一种双开关高增益y源dc-dc变换器

Info

Publication number: CN114567163A
Application number: CN202210274993.6A
Authority: CN
Inventors: 薛鹏飞; 张民; 权利敏; 叶睿明; 袁成功; 赵振伟; 陈�光
Original assignee: Qingdao University of Technology
Current assignee: Qingdao University of Technology
Priority date: 2022-03-21
Filing date: 2022-03-21
Publication date: 2022-05-31

Abstract

本发明属于DC‑DC升压设备技术领域，涉及一种双开关高增益Y源DC‑DC变换器，输入储能电感的两端分别与直流电源和双开关单元的输入端连接；双开关单元的输出端与Y源单元的输入端相连，Y源单元的输出端与第五二极管阳极相连，第五二极管的阴极分别与输出电容正极和负载相连，其结构整体设计可靠，使用的器件数目少，设计成本低，能够有效减少开关器件的损耗，变换器整体结构稳定可靠，能够达到变换器设计要求，效果理想，而且在工作中输出端电压稳定，工作效率高，同时其工作可靠，双开关单元能够充分吸收Y源网络中产生的漏感能量，对双开关上的电压实现有源钳位，控制实现方便，应用前景广阔。

Description

一种双开关高增益Y源DC-DC变换器

技术领域

本发明属于DC-DC升压设备技术领域，涉及一种双开关高增益Y源DC-DC变换器，特别是一种双开关有源钳位单元结合Y源升压网络的新型DC-DC变换器，能够灵活调节变换器电压增益，同时提高工作效率。

背景技术

当前，不可再生能源的过度开采带来的能源问题日益严峻，与建立绿色低碳的社会机制背道而驰，针对能源问题，新型环保新能源领域不断崛起。光伏电源、水电系统以及燃料电池等低碳技术应运而生，在能源使用占比中不断增大，但在实际生产运营中，这些清洁能源转换系统都存在转换效率低，升压能力不足的问题。例如：光伏发电系统是当下发展十分迅猛的绿色能源系统，作为清洁能源中的佼佼者，也存在单级光伏板的输出电压不高，必须采用多级串-并联的工作机制，多级联合输出的工作方式致使光伏供电系统的整体故障率上升，光伏设备的体积进一步增加，整体转换效率不高。

因此，如何解决绿色能源系统输出电压稳定、提高系统整体转换效率，是进一步发展绿色能源系统的重点。文献“S W Lee and H L Do.High step-up coupled-inductorcascade boost DC-DC converter with lossless passive snubber[J].IEEEtransactions on industrial electronics,2018,65(10):7753-7761”提出了一种含耦合绕组的二次升压变换器，利用无源无损缓冲电路来实现软开关特性，尽管它只包含了一个开关管，但无源器件数目较多。准阻抗源(QZS)网络由于其输入电流连续、输入和输出共地，得到广泛应用，文献“H Ardi,A Ajami,and M Sabahi.A novel high step-up DC-DC converter with continuous input current integrating coupled inductor forrenewable energy applications[J].IEEEtransactions on industrial electronics,2018,65(2):1306-1315”提出了一种输入电流连续的耦合电感变换器，但是此变换器没有实现软开关特性，具有很高的开关损耗。通过软开关技术减小开关损耗继而提高功率变换器效率是一种科学有效的方法，文献“M MHaji-Esmaeili,E Babaei,and M Sabahi.Highstep-up quasi-Z source DC-DC converter[J].IEEEtransactions on powerelectronics,2018,33(12):10563-10571”提出了一种基于QZS网络的高增益变换器，虽然电压增益非常可观，但无源器件数目过多，而且硬开关操作也导致效率低下。文献“MForouzesh,Y Shen,K Yari,Y P Siwakoti,and F Blaabjerg.High-efficiency highstep-up DC-DC converter with dual coupled inductors for grid-connectedphotovoltaic systems[J].IEEEtransactions on power electronics,2018,33(7):5967-5982”提出了一种利用缓冲电容器实现有源钳位的软开关变换器，尽管变换器性能可靠，但由于包含4个开关器件，变换器的结构复杂致使生产成本增加。

伴随DC-DC变换器领域的发展，开关电容技术，可将变换器的电压增益翻倍，但开关电容在工作中存在非常大的电流脉冲尖峰，继而增加了变换器的开关损耗。多级变换器级联技术虽然能够在小占空比下实现高电压增益的目的，但多级变换器的结合也会导致整体效率变低。因此，需要设计一种在低开关占空比下实现高电压增益，并能实现高效率的DC-DC变换器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，针对清洁能源板块发展所存在电压等级较低的问题，设计提供一种新型的双开关高增益Y源DC-DC变换器，在低开关占空比的条件下，得到较高电压增益，而且变换器的电压增益的范围可调，灵活多变，自由度高。

为实现上述目的，本发明所述双开关高增益Y源DC-DC变换器，包括直流电源、输入储能电感、双开关单元、Y源单元、第五二极管、输出电容和负载，输入储能电感的两端分别与直流电源和双开关单元的输入端连接；双开关单元的输出端与Y源单元的输入端相连，Y源单元的输出端与第五二极管阳极相连，第五二极管的阴极分别与输出电容正极和负载相连，通过调节双开关单元中开关管的导通占空比，实现变换器输入和输出之间的能量转换，实现变换器的升压作用。

进一步的，所述的双开关单元为Boost电路引入双开关单元，包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管和第一储能电容；第一二极管阴极分别与第一储能电容负极和第一开关管相连，第一储能电容正极分别与第二开关管和第二二极管阳极连接，第一二极管阳极与第二开关管共输入，第二二极管阴极与第一开关管共地，共同组成有源钳位回路，实现对第一开关管、第二开关管上产生的电压尖峰进行钳制。

进一步的，所述Y源升压单元由三个耦合良好的第一绕组、第二绕组、第三绕组结合钳位回路组成，其中钳位回路包括第三二极管、第四二极管、第二储能电容、第三储能电容和第四储能电容，第一绕组的同名端分别与第三二极管阴极、第二储能电容正极和第四二极管阳极相连，第一绕组的异名端分别与第二储能绕组的同名端和第三绕组的异名端连接，第二绕组的异名端与第四储能电容负极相连，第三绕组的同名端与第三储能电容正极相连，第三储能电容的负极与第三二极管阳极连接，第二储能电容的负极接地，第四储能电容的正极与第四二极管阴极连接，第一绕组、第二绕组、第三绕组的匝数比1:n₁:n₂，通过调节Y源升压单元的绕组匝数比，实现输出电压对输入直流电源电压的升压变换。

进一步的，第一开关管、第二开关管采用同步导通和关断方式，均采用PWM控制调节。

本发明现有他的DC-DC高增益变换器拓扑电路相比较，通过科学多变的调节Y源单元绕组的匝数比，保证开关管在小占空比导通下得到满足实际需求的电压增益，双开关单元在减少了开关管的关断电压应力的同时，降低了Y源单元的漏磁干扰，保证了变换器电压增益的进一步提升，增加了电路工作的稳定性；其结构整体设计可靠，使用的器件数目少，设计成本低，能够有效减少开关器件的损耗，变换器整体结构稳定可靠，能够达到变换器设计要求，效果理想，而且在工作中输出端电压稳定，工作效率高，同时其工作可靠，双开关单元能够充分吸收Y源网络中产生的漏感能量，对双开关上的电压实现有源钳位，控制实现方便，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明的主体电路结构原理示意图。

图2为本发明的主功率开关管导通的工作状态示意图。

图3为本发明的主功率开关管关断的工作状态示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

本实施例所述双开关高增益Y源DC-DC变换器结构如图1所示，包括直流电源V_g、输入储能电感L₁、双开关单元、Y源单元、第五二极管D₀、输出电容C_o和负载R，输入储能电感L₁的两端分别与直流电源V_g和双开关单元的输入端连接；双开关单元的输出端与Y源单元的输入端相连，Y源单元的输出端与第五二极管D₀阳极相连，第五二极管D₀的阴极分别与输出电容C_o正极和负载R相连，其中双开关单元为Boost电路引入双开关单元，包括第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一二极管D₁、第二二极管D₂和第一储能电容C₁；第一二极管D₁阴极分别与第一储能电容C₁负极和第一开关管S₁相连，第一储能电容C₁正极分别与第二开关管S₂和第二二极管D₂阳极连接，第一二极管D₁阳极与第二开关管S₂共输入，第二二极管D₂阴极与第一开关管S₁共地，共同组成有源钳位回路，实现对第一开关管S₁、第二开关管S₂上产生的电压尖峰进行钳制；Y源升压单元由三个耦合良好的第一绕组N₁、第二绕组N₂、第三绕组N₃结合钳位回路组成，其中钳位回路包括第三二极管D₃、第四二极管D₄、第二储能电容C₂、第三储能电容C₃和第四储能电容C₄，第一绕组N₁的同名端分别与第三二极管D₃阴极、第二储能电容C₂正极和第四二极管D₄阳极相连，第一绕组N₁的异名端分别与第二储能绕组N₂的同名端和第三绕组N₃的异名端连接，第二绕组N₂的异名端与第四储能电容C₄负极相连，第三绕组N₃的同名端与第三储能电容C₃正极相连，第三储能电容C₃的负极与第三二极管D₃阳极连接，第二储能电容C₂的负极接地，第四储能电容C₄的正极与第四二极管D₄阴极连接，第一绕组N₁、第二绕组N₂、第三绕组N₃的匝数比为1:n₁:n₂，通过调节Y源升压单元的绕组匝数比，能够在宽范围内对拓扑增益转换能力进行调整，实现输出电压对输入直流电源电压的升压变换。

具体的，第一开关管S₁、第二开关管S₂采用同步导通和关断方式，均采用PWM控制调节。

本实施例在拓扑电路处于连续工作模式下，所示双开关高增益Y源DC-DC变换器总有两个工作状态：

(1)导通状态：如图2所示，第一开关管S₁、第二开关管S₂连续导通，第四二极管D₄导通，第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第五二极管D_o关断，此时直流电源V_g通过第一开关管S₁、第二开关管S₂为第一储能电容C₁提供能量，此时输入储能电感L₁的电流i_L1持续增大，第二储能电容C₂释放能量为耦合电感原边第一绕组N₁提供能量，同时通过第四二极管D₄为第四储能电容C₄提供能量，耦合电感副边第三绕组N₃放电为第三储能电容C₃提供能量，此时耦合电感副边第二绕组N₂处于放能状态，输出端由输出电容C_o为负载R提供能量；

(2)关断状态：如图3所示，第一开关管S₁、第二开关管S₂完全关断，第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第五二极管D_o导通，第四二极管D₄关断，第一储能电容C₁通过第一二极管D₁、第二二极管D₂释放能量，直流电源V_g通过第三二极管D₃与耦合电感原边第一绕组N₁共同为第二储能电容C₂提供能量，第三储能电容C₃放电为耦合电感副边第三绕组N₃提供能量，此时耦合电感副边第二绕组N₂处于储能状态，第四储能电容C₄通过第五二极管D_o为负载侧输出电容C_o及负载R提供能量，当第一开关管S₁、第二开关管S₂接收到导通信号时，此状态结束。

本实施例所述二极管均为快恢复二极管，该类型二极管拥有优越的开关特性、截止恢复时间快的特点，快恢复二极管的内部结构相较于普通PN结二极管有较大区别，它实为PIN结型二极管，其原理是在P型硅材与N型硅材之间加入了基区I，构成PIN硅片，因基区I夹层非常薄，因此其反向恢复电荷非常小，在本实施例中通过应用快恢复二极管以达到反向恢复时间快、管压降低、反向耐压值高的目的。

对电感和励磁电感使用电压伏秒平衡法则，则本实施例所述双开关高增益Y源DC-DC变换器在CCM下的输出电压V₀及增益B为：

式中，D为开关管占空比。

实施例2：

若设计要求输出电压增益为10倍以上时，如果按照经典的Boost电路拓扑增益表达式V_o＝V_g/(1-D)来设计，若要满足要求的10倍电压增益，此时需要开关管占空比D必须达到0.9，此时变换器的开关管工作在极限状态，此时整个变换器的工作效率非常低，同时大大增加了开关管的开关损耗，变换器的故障率极高。而在本实施方式中，通过对变换器稳态分析，本实施例中开关高增益Y源DC-DC变换器拓扑的输出、输入电压表达式为：

若设计要求变换器电压增益为10倍，当开关占空比D为0.05时，耦合绕组匝数只需满足n₁＝1,n₂＝0.5就可满足输出要求。所以当对变换器电压增益需求较高时，本实施例能够避免开关管工作在极限占空比情况下，一次可以有效减小开关管的开关损耗，有效减小开关器件的故障率，继而提升变换器的整体可靠性和安全性，变换器的工作效率也有大幅提升，提高了能源利用率。

上文结合附图对本发明的具体实施方式进行了简单的复述，但并不是对本发明保护范围的限制，该领域技术人员都了解，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员无需付出创造性劳动便能做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种双开关高增益Y源DC-DC变换器，其特征在于，包括直流电源、输入储能电感、双开关单元、Y源单元、第五二极管、输出电容和负载，输入储能电感的两端分别与直流电源和双开关单元的输入端连接；双开关单元的输出端与Y源单元的输入端相连，Y源单元的输出端与第五二极管阳极相连，第五二极管的阴极分别与输出电容正极和负载相连。

2.根据权利要求1所述双开关高增益Y源DC-DC变换器，其特征在于，所述双开关单元为Boost电路引入双开关单元，包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管和第一储能电容；第一二极管阴极分别与第一储能电容负极和第一开关管相连，第一储能电容正极分别与第二开关管和第二二极管阳极连接，第一二极管阳极与第二开关管共输入，第二二极管阴极与第一开关管共地，共同组成有源钳位回路，实现对第一开关管、第二开关管上产生的电压尖峰进行钳制。

3.根据权利要求2所述双开关高增益Y源DC-DC变换器，其特征在于，所述Y源升压单元由第一绕组、第二绕组、第三绕组结合钳位回路组成，其中钳位回路包括第三二极管、第四二极管、第二储能电容、第三储能电容和第四储能电容，第一绕组的同名端分别与第三二极管阴极、第二储能电容正极和第四二极管阳极相连，第一绕组的异名端分别与第二储能绕组的同名端和第三绕组的异名端连接，第二绕组的异名端与第四储能电容负极相连，第三绕组的同名端与第三储能电容正极相连，第三储能电容的负极与第三二极管阳极连接，第二储能电容的负极接地，第四储能电容的正极与第四二极管阴极连接，第一绕组、第二绕组、第三绕组的匝数比1:n₁:n₂，通过调节Y源升压单元的绕组匝数比，实现输出电压对输入直流电源电压的升压变换。

4.根据权利要求3所述双开关高增益Y源DC-DC变换器，其特征在于，第一开关管、第二开关管采用同步导通和关断方式，均采用PWM控制调节。