CN203434860U - 一种基于耦合电感和电压转移技术的高增益升压变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于耦合电感和电压转移技术的高增益升压变换器，包括依次连接的不对称交错并联Boost电路、电压转移单元电路、倍压单元电路及输出单元电路；所述不对称交错并联Boost电路包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第一耦合电感的原边绕组、第二耦合电感的原边绕组；所述电压转移单元电路包括第一电容，第四电容和第二二极管；所述倍压单元电路包括第一耦合电感的副边绕组、第二耦合电感的副边绕组、第二电容、第三二极管；所述输出单元电路包括第四二极管、第三电容和负载。本实用新型降低了变换器工作时的开关损耗，有利于提高变换器的功率等级。

Description

一种基于耦合电感和电压转移技术的高增益升压变换器

技术领域

本实用新型涉及电力电子变换器技术领域，具体涉及一种基于耦合电感和电压转移技术的高增益升压变换器。

背景技术

在太阳能发电系统或者燃料电池系统中，由于单块太阳能电池或者单个燃料电池提供的都是电压较低的直流电，而实际应用中所需的电压通常较高，因此需要一级高效率、低输入电流纹波、高增益、性能稳定的升压变换器把低电压直流电转换为适合实际需要的高压直流电。

目前最常用的升压变换器是单管Boost变换器，然而这种变换器的升压范围十分有限，通常升压倍数都在十倍以内，很难满足高增益的变换要求。利用耦合电感技术实现的单管高增益变换器虽然可以提高变换器的增益，但是输入电流纹波较大。利用交错并联技术可以减小输入电流纹波但是不能实现变换器增益的拓展。为实现增益拓展，还可以使用开关电容技术，这种技术电路结构简单，容易实现，但是存在着开关管电流尖峰冲击大，电压增益有限的缺点。虽然通过多级开关电容结构可以进一步拓展变换器的电压增益，但是电路结构会变得非常复杂。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于耦合电感和电压转移技术的高增益升压变换器。

本实用新型适用于光伏系统、燃料电池系统、能量回收系统等需要用到高增益高性能电力电子变换器的场合。

本实用新型通过如下技术方案实现：

一种基于耦合电感和电压转移技术的高增益升压变换器，包括依次连接的不对称交错并联Boost电路、电压转移单元电路、倍压单元电路及输出单元电路；

所述不对称交错并联Boost电路包括第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一二极管D₁、第一耦合电感的原边绕组L₁₁、第二耦合电感的原边绕组L₂₁；

所述电压转移单元电路包括第一电容C₁，第四电容C₄和第二二极管D₂；

所述倍压单元电路包括第一耦合电感的副边绕组L₁₂、第二耦合电感的副边绕组L₂₂、第二电容C₂、第三二极管D₃；

所述输出单元电路包括第四二极管D₄、第三电容C₃和负载R。

所述第一耦合电感的原边绕组L₁₁的同名端、第二耦合电感的原边绕组L₂₁的同名端与输入电源的正极连接；所述第一耦合电感的原边绕组L₁₁的异名端分别与第二开关管S₂的漏极、第一二极管D₁的阳极连接；

所述第二耦合电感的原边绕组L₂₁的异名端分别与第一开关管S1的漏极、第一电容C₁的一端连接；

所述第一开关管S₁的源极、第二开关管S₂的源极与输入电源的负极连接；所述第一电容C₁的另一端分别与第一二极管D₁的阴极、第二二极管D₂的阳极连接；

所述第四电容C₄的一端分别与第二二极管D₂的阴极、第三二极管D₃的阳极、第一耦合电感的副边绕组L₁₂的同名端连接；

所述第一耦合电感的副边绕组L₁₂的异名端与第二耦合电感的副边绕组L₂₂的异名端连接；所述第二耦合电感的副边绕组L₂₂的同名端与第二电容C₂的一端连接；所述第二电容C₂的另一端分别与第三二极管D₃的阴极、第四二极管D₄的阳极连接；

所述第四二极管D₄的阴极分别与第三电容C₃的一端，负载R的一端连接；

所述第三电容C₃的另一端、负载R的另一端与输入电源的负极连接；

所述第四电容C₄的另一端与输入电源的负极连接或与输入电源的正极连接或与第四二极管D₄的阴极连接。

与现有技术相比本实用新型具有如下优点：

本实用新型的变换器工作时，利用耦合电感和第二电容实现了电压增益的拓展，利用耦合电感的漏感实现了开关管零电流开通和二极管的零电流关断，降低了变换器工作时的开关损耗；

利用第一电容、第四电容和第二二极管实现了电压转移技术进一步提高变换器电压增益，限制了开关管承受的电压应力，并回收漏感能量，利用不对称Boost电路降低了输入电流的纹波，并减小了开关管承受的电流应力，降低了变换器工作时的导通损耗，有利于提高变换器的功率等级。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的一种基于耦合电感和电压转移技术的高增益升压变换器的电路图；

图2(a）～图2(h）是图1所示电路图在一个开关周期内的工作模态图。其中图2(a）是工作模态1的电路图，图2(b）是工作模态2的电路图，图2(c）是工作模态3的电路图，图2(d）是工作模态4的电路图，图2(e）是工作模态5的电路图，图2(f）是工作模态6的电路图，图2(g）是工作模态7的电路图，图2(h）是工作模态8的电路图，图中实线表示变换器中有电流流过的部分，虚线表示变换器中没有电流流过的部分；

图3是本实用新型实施例2的一种基于耦合电感和电压转移技术的高增益升压变换器第二种连接方式的电路图；

图4是本实用新型实施例3的一种基于耦合电感和电压转移技术的高增益升压变换器第三种连接方式的电路图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种基于耦合电感和电压转移技术的高增益升压变换器，包括依次连接的不对称交错并联Boost电路、电压转移单元电路、倍压单元电路及输出单元电路；

所述不对称交错并联Boost电路包括第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一二极管D₁、第一耦合电感的原边绕组L₁₁、第二耦合电感的原边绕组L₂₁；

所述电压转移单元电路包括第一电容C₁，第四电容C₄和第二二极管D₂；

所述倍压单元电路包括第一耦合电感的副边绕组L₁₂、第二耦合电感的副边绕组L₂₂、第二电容C₂、第三二极管D₃；

所述输出单元电路包括第四二极管D₄、第三电容C₃和负载R。

具体连接方式：

所述第一耦合电感的原边绕组L₁₁的同名端、第二耦合电感的原边绕组L₂₁的同名端与输入电源的正极连接；所述第一耦合电感的原边绕组L₁₁的异名端分别与第二开关管S₂的漏极、第一二极管D₁的阳极连接；

所述第二耦合电感的原边绕组L₂₁的异名端分别与第一开关管S1的漏极、第一电容C₁的一端连接；

所述第一开关管S₁的源极、第二开关管S₂的源极与输入电源的负极连接；所述第一电容C₁的另一端分别与第一二极管D₁的阴极、第二二极管D₂的阳极连接；

所述第四电容C₄的一端分别与第二二极管D₂的阴极、第三二极管D₃的阳极、第一耦合电感的副边绕组L₁₂的同名端连接；

所述第一耦合电感的副边绕组L₁₂的异名端与第二耦合电感的副边绕组L₂₂的异名端连接；所述第二耦合电感的副边绕组L₂₂的同名端与第二电容C₂的一端连接；所述第二电容C₂的另一端分别与第三二极管D₃的阴极、第四二极管D₄的阳极连接；

所述第四二极管D₄的阴极分别与第三电容C₃的一端，负载R的一端连接；

所述第三电容C₃的另一端、负载R的另一端与输入电源的负极连接。所述第四电容的另一端与输入电源的负极连接。

如图2(a）～图2(h），一种基于耦合电感和电压转移技术的高增益升压变换器在一个开关周期内有8个工作模态，分别描述如下：

工作模态1：

如图2(a)所示，第一开关管S₁和第二开关管S₂导通，第一二极管D₁、第二二极管D₂和第三二极管D₃关断，第四二极管D₄因流过的电流降为零而软关断。两个耦合电感的励磁电感储能，第一耦合电感L₁及第二耦合电感L₂原边绕组两端承受的电压V_LP1、V_LP2分别为：

V_LP1=V_LP2=V_d    （1）其中，V_d为输入电源电压。

工作模态2：

如图2(b）所示，第一开关管S₁闭合，第二开关管S₂断开。此时第二二极管D₂导通，第三二极管D₃导通，第一二极管D₁和第四二极管D₄关断。第二耦合电感L₂中的能量和第一电容C₁中的能量向第四电容C₄转移，同时输入电源通过耦合电感向电容C₂提供能量。此时电路中的电压关系为：

V_LP2=V_c4-V_c1-V_d    （2）

V_c2=N(V_c4-V_c1)    （3）其中，V_c1为第一电容C1两端电压，V_c2为第二电容C₂两端电压，V_c4为第四电容C₄两端电压，第一耦合电感L₁、第二耦合电感L₂的原边绕组与副边绕组线圈匝数之比均为N。

工作模态3：

如图2(c）所示，第一开关管S₁闭合，第二开关管S₂断开。此时第三二极管D₃继续导通，第一二极管D₁和第四二极管D₄继续关断，第二二极管D₂因流过电流降为零而软关断。输入电源继续通过耦合电感向电容C₂提供能量。

工作模态4：

如图2(d）所示，第一开关管S₁持续闭合，第二开关管S₂闭合。此时第三二极管D₃继续导通，第一二极管D₁、第二二极管D₂和第四二极管D₄均关断。流过第三二极管D₃的电流迅速下降，流过第二开关管S₂的电流从零开始上升，第二开关管S₂实现零电流开通。

工作模态5：

如图2(e）所示，第三二极管D₃因流过的电流降为零而实现软关断，此工作模态和工作模态1相同。

工作模态6：

如图2(f）所示，第一开关管S₁关断，第二开关管S₂持续闭合。此时第一二极管D₁和第四二极管D₄导通，第二二极管D₂和第三二极管D₃关断。输入电源和第一耦合电感L₁的原边励磁电感向第一电容C₁提供能量，同时通过第一耦合电感L₁、第二耦合电感L₂向负载提供能量，第四电容C4和第二电容C₂向负载提供能量，此时电路中的电压关系为：

V_LP1=V_c1-V_d    （4）

V_o=V_c4+V_c2+NV_c1    （5）其中，V_o为输出电压。

工作模态7：

如图2(g）所示，第一开关管S₁关断，第二开关管S₂闭合。第一二极管D₁因流过的电流降为零而软关断，第四二极管D₄导通，输入电源，第四电容C₄及第二电容C₂继续向负载提供能量。

工作模态8：

如图2(h）所示，第一开关管S₁闭合，第二开关管S₂闭合，第一二极管D₁、第二二极管D₂和第三二极管D₃关断，第四二极管D₄继续导通，流过第四二极管D₄的电流迅速下降，流过第一开关管S₁的电流从零开始上升，第一开关管S₁实现零电流开通。

稳态时的电压增益分析：

设第一开关管S₁和第二开关管S₂工作的占空比均为D，并且它们的驱动信号在相位上相差180°，根据电感伏秒平衡特性，以及联立式（1）～式（5）可得：

$V_o=\frac{2N+2}{1-D}{V}_d$

即本实用新型所述的一种基于耦合电感和电压转移技术的高增益升压变换器的电压增益M为：

$M=\frac{V_o}{V_d}=\frac{2N+2}{1-D}.$

实施例2

如图3，本实施例与实施例1唯一的区别在于：所述第四电容C₄的另一端与输入电源的正极连接，其余结构与功能均与实施例1相同。

实施例3

如图4，本实施例与实施例1唯一的区别在于：所述第四电容C₄的另一端与第四二极管D₄的阴极连接，其余结构与功能均与实施例1相同。

本实用新型利用耦合电感和第二电容C₂实现了电压增益的拓展，利用耦合电感的漏感实现了开关管零电流开通和二极管的零电流关断，利用第一电容C₁，第四电容C₄和第二二极管D₂实现了电压转移技术进一步提高变换器电压增益，限制了开关管承受的电压应力，并回收漏感能量，利用不对称Boost电路降低了输入电流的纹波，并减小了开关管承受的电流应力。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于耦合电感和电压转移技术的高增益升压变换器，其特征在于，包括依次连接的不对称交错并联Boost电路、电压转移单元电路、倍压单元电路及输出单元电路；

所述不对称交错并联Boost电路包括第一开关管（S₁）、第二开关管（S₂）、第一二极管（D₁）、第一耦合电感的原边绕组（L₁₁）、第二耦合电感的原边绕组（L₂₁）；

所述电压转移单元电路包括第一电容（C₁），第四电容（C₄）和第二二极管（D₂）；

所述倍压单元电路包括第一耦合电感的副边绕组（L₁₂）、第二耦合电感的副边绕组（L₂₂）、第二电容（C₂）、第三二极管（D₃）；

所述输出单元电路包括第四二极管（D₄）、第三电容（C₃）和负载（R）。

2.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述第一耦合电感的原边绕组（L₁₁）的同名端、第二耦合电感的原边绕组（L₂₁）的同名端与输入电源的正极连接；所述第一耦合电感的原边绕组（L₁₁）的异名端分别与第二开关管（S₂）的漏极、第一二极管（D₁）的阳极连接；

所述第二耦合电感的原边绕组（L₂₁）的异名端分别与第一开关管（S₁）的漏极、第一电容（C₁）的一端连接；

所述第一开关管（S₁）的源极、第二开关管（S₂）的源极与输入电源的负极连接；所述第一电容（C₁）的另一端分别与第一二极管（D₁）的阴极、第二二极管（D₂）的阳极连接；

所述第四电容（C₄）的一端分别与第二二极管（D₂）的阴极、第三二极管（D₃）的阳极、第一耦合电感的副边绕组（L₁₂）的同名端连接；

所述第一耦合电感的副边绕组（L₁₂）的异名端与第二耦合电感的副边绕组（L₂₂）的异名端连接；所述第二耦合电感的副边绕组（L₂₂）的同名端与第二电容（C₂）的一端连接；所述第二电容（C₂）的另一端分别与第三二极管（D₃）的阴极、第四二极管（D₄）的阳极连接；

所述第四二极管（D₄）的阴极分别与第三电容（C₃）的一端，负载（R）的一端连接；

所述第三电容（C₃）的另一端、负载（R）的另一端与输入电源的负极连接；

所述第四电容（C₄）的另一端与输入电源的负极连接或与输入电源的正极连接或与第四二极管（D₄）的阴极连接。

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