CN116827126B - 一种高增益升压变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高增益升压变换器，属于变换器技术领域，包括直流输入源、四个电感、五个电容、两个开关管、七个二极管、负载。本发明通过电容和开关电感充放电实现高电压增益，同时减少了电容器的使用，提高了变换器的可靠性；可以工作在占空比整个变化范围内，两个开关管的驱动信号同步，从而使控制电路的实现更加简单；降低了开关管的电压应力，在相同占空比下具有更高的电压增益，应用场合更加广泛，在可再生清洁能源领域有很好的应用价值；使用的器件总数目更少、结构简单，从而使变换器性价比更高，提高了变换器的使用价值。

Description

一种高增益升压变换器

技术领域

本发明涉及可再生能源发电技术领域，具体涉及一种高增益升压变换器。

背景技术

如今，光伏电池和燃料电池等可再生清洁能源发电技术发展迅速。这些电源的电压水平都比较低，通常低于50V。高升压比直流变换器通常用作接口电路，以达到在很多应用中的300V至400V的高电压水平的输出电压要求。在可再生能源发电的场合下要求变换器满足高升压比、低电压和电流应力、公共接地、高效率和低成本的要求。此外，对结构简单、效率更高、实现成本更低的变换器的需求也在不断增加。

在目前可再生能源发电技术中，提高电压增益的传统升压变换器具有结构简单和连续输入电流的特点。实际上，在极端的占空比下，传统的变换器无法提供合适的电压增益。由于开关器件的高电压应力，传统的变换器必须承受比较高的开关损耗和二极管反向恢复损耗，因此传统变换器的电压转换比和功率处理能力受到严重限制。有人提出通过对一些升压电路如电压倍增器、开关电容、开关电感、以及多级技术进行改进，从而实现对电源的高电压增益。同时，利用像耦合电感和变压器这些磁性器件，是高升压比变换器比较好的选择。通过调整耦合电感的匝数比，能够大大提高了高升压变换器的性能，有助于在适当的占空比下实现较宽范围的电压增益。

通过对一些升压电路如电压倍增器、开关电容、开关电感、以及多级技术进行改进，从而实现对电源的高电压增益。然而，这些改进方法往往都会需要大量的电气元件，这些变换器元件的高尖峰通常会导致其效率降低，从而会限制其应用的领域。

利用像耦合电感和变压器这些磁性器件，是高升压比变换器比较好的选择。然而，由于耦合电感的漏感中存储的能量，变换器通常会受到开关两端电压尖峰的影响。利用耦合电感与电源串联还会导致高输入纹波，这限制了它们在新能源发电中的应用。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高增益升压变换器，改进了上述现有技术中低电压增益、拓扑结构复杂、低应用效率、高输入纹波的缺点，具有低纹波连续输入电流，实现高升压比、高效率、电路结构简单、低纹波连续输入电流、低电压电流应力、低成本的特点。

为实现上述目的，实现本发明的技术方案是：一种高增益升压变换器，包括直流输入源、四个电感(第一至第四电感)、三个电容(第一电容、第二电容、第三电容)、两个开关管(第一开关管、第二开关管)、九个二极管(第一至第九二极管)、负载；第一二极管、第二二极管、第三二极管与第一电感、第二电感构成开关电感单元，所述第一电感、第二电感的大小相等；第五二极管、第六二极管、第七二极管与第三电感、第四电感构成开关电感单元，所述第三电感、第四电感的大小相等；直流输入源的正极分别与第一电感的一端、第一二极管的阳极相连；第一电感的另一端分别与第二二极管的阳极、第三二极管的阳极相连；第二电感的一端分别与第一二极管的阴极、第二二极管的阴极相连；第二电感的另一端分别与第三二极管的阴极、第一开关管的漏极相连；第一开关管的源极与直流输入源的负极相连；第二电容的一端分别与第四二极管阳极、第一开关管漏极相连；第四二极管的阴极分别与第一电容的一端、第三电感的一端、第五二极管阳极相连；第六二极管阳极分别与第三电感的另一端、第七二极管阳极相连；第六二极管的阴极分别与第五二极管的阴极、第四电感的一端相连；第七二极管的阴极分别与第四电感的另一端、第二开关管的漏极、第九二极管的阳极相连；第二开关管的源极分别与第二电容的另一端、第八二极管的阳极相连；第八二极管的阴极分别与第三电容的一端、直流输入源的负极相连；第九二极管的阴极分别与第三电容的另一端、负载的一端相连；第一电容的另一端、负载的另一端依次与直流输入源的负极相连。

更进一步地，所述第一开关管、第二开关管的驱动信号同步，并且占空比范围为0～1。

更进一步地，所述高增益升压变换器在空比0<D<1范围内变化时电压增益均为：

其中，M表示所述高增益升压变换器在空比0<D<1范围内变化时的电压增益。

更进一步地，所述高增益升压变换器在在空比0<D<1范围内变化时第一开关管、第二开关管的电压应力分别为：

其中，表示高增益升压变换器在空比0<D<1范围内变化时第一开关管的电压应力，/>表示高增益升压变换器在空比0<D<1范围内变化时第二开关管的电压应力，V_in表示直流输入源。更进一步地，所述高增益升压变换器在在空比0<D<1范围内变化时第一二极管至第九二极管的电压应力分别为：

其中，至V_D9分别表示所述高增益升压变换器在在空比0<D<1范围内变化时第一二极管至第九二极管的电压应力；V_in表示直流输入源。

本发明相比现有技术具有以下优点：该高增益升压变换器，通过电容和开关电感充放电实现高电压增益，同时减少了电容器的使用，提高了变换器的可靠性；可以工作在占空比整个变化范围内，两个开关管的驱动信号同步，从而使控制电路的实现更加简单；降低了开关管的电压应力，在相同占空比下具有更高的电压增益，应用场合更加广泛，在可再生清洁能源领域有很好的应用价值；使用的器件总数目更少、结构简单，从而使变换器性价比更高，提高了变换器的使用价值，值得被推广使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下文对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，下述附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一种高增益升压变换器的拓扑结构图；

图2是开关管S₁和开关管S₂的驱动信号V_gs图；

图3是本发明的一种高增益升压变换器的工作模态一的等效电路图；

图4是本发明的一种高增益升压变换器的工作模态二的等效电路图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一：

如图1所示，一种高增益升压变换器，包括直流输入源V_in、四个电感(L₁、L₂、L₃、L₄)、三个电容(C₁、C₂和C₃)、两个开关管(S₁、S₂)、九个二极管(D₁至D₉)、负载；第一二极管、第二二极管、第三二极管与第一电感、第二电感构成开关电感单元，所述第一电感、第二电感的大小相等；第五二极管、第六二极管、第七二极管与第三电感、第四电感构成开关电感单元，所述第三电感、第四电感的大小相等；直流输入源的正极分别与第一电感的一端、第一二极管的阳极相连；第一电感的另一端分别与第二二极管的阳极、第三二极管的阳极相连；第二电感的一端分别与第一二极管的阴极、第二二极管的阴极相连；第二电感的另一端分别与第三二极管的阴极、第一开关管的漏极相连；第一开关管的源极与直流输入源的负极相连；第二电容的一端分别与第四二极管阳极、第一开关管漏极相连；第四二极管的阴极分别与第一电容的一端、第三电感的一端、第五二极管阳极相连；第六二极管阳极分别与第三电感的另一端、第七二极管阳极相连；第六二极管的阴极分别与第五二极管的阴极、第四电感的一端相连；第七二极管的阴极分别与第四电感的另一端、第二开关管的漏极、第九二极管的阳极相连；第二开关管的源极分别与第二电容的另一端、第八二极管的阳极相连；第八二极管的阴极分别与第三电容的一端、直流输入源的负极相连；第九二极管的阴极分别与第三电容的另一端、负载的一端相连；第一电容的另一端、负载的另一端依次与直流输入源的负极相连。本实施例中开关管S₁和开关管S₂的驱动信号同步，并且占空比范围为0～1。

图2给出了开关管S₁和开关管S₂的驱动信号V_gs图，在本实施例中，开关管S₁和开关管S₂同时导通或同时关断。一个周期T_s分为开关导通时间段T_on和开关关断时间段T_off，开关导通时间段T_on为t₀-t₁，用占空比D表示的话，则为DT_s，开关关断时间段T_off为t₁-t₂，用占空比D表示的话，则为(1-D)T_s。

实施例二：

本发明的高增益升压变换器，有两种工作模态，详细分析如下：

工作模态一[t₀-t₁]：

如图3所示，开关管S₁和S₂在该模态下处于导通状态，二极管D₂、D₄和D₈、D₉均承受反向偏置电压而关断，直流输入源V_in对电感L₁进行充电，其中，直流输入源V_in、电感L₁以及开关管S₁构成回路；电感L₁和L₂因二极管D₁和D₃正向导通而并联运行，电容C₁与C₂对电感L₃和L₄进行充电，电容C₀与负载R构成回路，能量从电容C₀中向负载R转移，电容C₁、电容C₂和电容C₃均处于放电状态。

工作模态二[t₁-t₂]：

如图4所示，开关管S₁和S₂处于关断状态，电感L₁处于放电状态，电容C₁处于充电状态，导致二极管D₂正向导通；电感L₃和L₄均处于放电状态，二极管D₄和D₈正向导通，进而关断了二极管D₁和D₃，电感L₁和L₂通过二极管D₂由并联模式切换到串联模式，一起为电容C₃充电以及负载R供能。

实施例三：

电压增益计算

为了简化分析，本实施例中的高增益升压变换器，结构与实施例一相同，工作模态与实施例二相同，在以下分析中假定所有器件为理想器件，对变换器的两种工作模态进行分析。

定义V_in为平均输入电压，V_L1至V_L3分别为电感L₁、L₂、L₃两端的电压，V₀为平均输出电压。

当变换器工作在图3所示的模态一时，直流输入源V_in对电感L₁、L₂进行充电，电容C₁与C₂对电感L₃和L₄进行充电：

当变换器工作在如图4所示的模态二时，电路中电感均处于放电状态，电路中电容均处于充电状态，则有：

根据伏秒平衡原理，电感两端的电压应为0，因此可得：

由(5)可得电容C₁上的电压为：

由(6)和(7)可得该变换器的电压增益为：

实施例四：

开关器件的电压应力

本实施例中的高增益升压变换器，根据实施例二和三的分析，可推导出开关管S₁和开关管S₂的电压应力：

二极管D₁至D₉的电压应力分别为：

通过电压应力公式可以看出，仅有二极管D₅的电压应力略高于输出电压V₀，开关管S₂的电压应力为输出电压V₀，其余开关器件的电压应力要小得多，有利于开关器件的选型。

综上所述，上述实施例的高增益升压变换器，通过电容和开关电感充放电实现高电压增益，同时减少了电容器的使用，提高了变换器的可靠性；可以工作在占空比整个变化范围内，两个开关管的驱动信号同步，从而使控制电路的实现更加简单；降低了开关管的电压应力，在相同占空比下具有更高的电压增益，应用场合更加广泛，在可再生清洁能源领域有很好的应用价值；使用的器件总数目更少、结构简单，从而使变换器性价比更高，提高了变换器的使用价值，值得被推广使用。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种高增益升压变换器，其特征在于，包括：直流输入源、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、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、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、负载；第一二极管、第二二极管、第三二极管与第一电感、第二电感构成开关电感单元，所述第一电感、第二电感的大小相等；第五二极管、第六二极管、第七二极管与第三电感、第四电感构成开关电感单元，所述第三电感、第四电感的大小相等；直流输入源的正极分别与第一电感的一端、第一二极管的阳极相连；第一电感的另一端分别与第二二极管的阳极、第三二极管的阳极相连；第二电感的一端分别与第一二极管的阴极、第二二极管的阴极相连；第二电感的另一端分别与第三二极管的阴极、第一开关管的漏极相连；第一开关管的源极与直流输入源的负极相连；第二电容的一端分别与第四二极管阳极、第一开关管漏极相连；第四二极管的阴极分别与第一电容的一端、第三电感的一端、第五二极管阳极相连；第六二极管阳极分别与第三电感的另一端、第七二极管阳极相连；第六二极管的阴极分别与第五二极管的阴极、第四电感的一端相连；第七二极管的阴极分别与第四电感的另一端、第二开关管的漏极、第九二极管的阳极相连；第二开关管的源极分别与第二电容的另一端、第八二极管的阳极相连；第八二极管的阴极分别与第三电容的一端、直流输入源的负极相连；第九二极管的阴极分别与第三电容的另一端、负载的一端相连；第一电容的另一端、负载的另一端依次与直流输入源的负极相连。

2.根据权利要求1所述的一种高增益升压变换器，其特征在于：所述第一开关管、第二开关管的驱动信号同步，并且占空比范围为0～1。

3.根据权利要求2所述的一种高增益升压变换器，其特征在于：所述高增益升压变换器在占空比0<D<1范围内变化时电压增益均为：

其中，M表示所述高增益升压变换器在占空比0<D<1范围内变化时的电压增益。

4.根据权利要求3所述的一种高增益升压变换器，其特征在于：所述高增益升压变换器在占空比0<D<1范围内变化时第一开关管、第二开关管的电压应力分别为：

其中，表示高增益升压变换器在占空比0<D<1范围内变化时第一开关管的电压应力，表示高增益升压变换器在占空比0<D<1范围内变化时第二开关管的电压应力，V_in表示直流输入源。

5.根据权利要求4所述的一种高增益升压变换器，其特征在于：所述高增益升压变换器在占空比0<D<1范围内变化时第一二极管至第九二极管的电压应力分别为：

其中，V_D1至V_D9分别表示所述高增益升压变换器在占空比0<D<1范围内变化时第一二极管至第九二极管的电压应力；V_in表示直流输入源。