CN203590022U - 一种非串联级联的N次型Boost变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种非串联级联的N次型Boost变换器，主要包括输入电路单元，开关切换单元，N-1个升压电路单元和输出电路单元。其中输入电路单元包括输入电源和一个功率电感；开关切换单元由一个开关管构成；每个升压电路单元都由两个二极管，一个升压电感和一个中间储能电容构成；输出电路单元包括一个二极管，一个电容，负载。本实用新型利用每个升压单元的升压特性将输入电压泵升，实现输出电压的升高。本实用新型只利用一个功率开关管，且在没有采用逐级串联连接方式的条件下是实现了输出电压的高增益，即输出电压为输入电压的倍，其中D为本实用新型提供的变换器工作时功率开关管工作的占空比。

Description

一种非串联级联的N次型Boost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，具体涉及一种非串联级联的N（N≥2，且N为整数）次型Boost变换器。

背景技术

随着工业的发展，对能源的需求原来越多，分布式能源系统得到了越来越多的关注。在分布式能源并网所需技术中，电力电子变换器是必不可少。然而在众多分布式能源系统例如太阳能发电系统和风能发电系统中，单块太阳能电池或者单个风机提供的电压与电网电压相比非常低，为了更好地实现并网，就需要一级高效率、高增益、性能稳定的升压电力电子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。

此外，在不间断电源系统和燃料电池系统中，对升压变换器增益的要求也越来越高。

目前最常用的升压变换器是传统Boost变换器，它虽然结构简单，但是升压范围十分有限，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实现变换器增益的提高，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。通过将传统Boost变换器逐级串联的方法可以得到高增益的变换器，但是开关管数量大大增加，造成成本升高，系统稳定性降低。

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，提供一种非串联级联的N（N≥2，且N为整数）次型Boost变换器。

本实用新型通过如下技术方案实现：

一种非串联级联的N次型Boost变换器，主要包括输入电路单元，开关切换单元，N-1个升压电路单元和输出电路单元，其中N≥2，且N为整数。

所述输入电路单元包括输入电源和第一功率电感；

所述N-1个升压电路单元，每个升压电路单元都由两个二极管、一个升压电感和一个中间储能电容构成；

所述输出电路单元包括第一二极管、第一电容和负载。

所述开关切换单元由一个开关管构成。

其中，输入电源的正极分别与第一功率电感的一端和第一升压电路单元的第一二极管的阳极连接；

第一功率电感的另一端分别与第一升压电路单元的中间储能电容的一端和第一升压电路单元的第二二极管的阳极连接；

第一升压电路单元的第二二极管的阴极分别与第一升压电路单元的第一二极管的阴极、第一升压电路单元的升压电感的一端和第二升压电路单元的第一二极管的阳极连接；

第一升压电路单元的升压电感的另一端分别与第二升压电路单元的中间储能电容的一端和第二升压电路单元的第二二极管的阳极连接；

第二升压电路单元的第二二极管的阴极分别与第二升压电路单元的第一二极管的阴极、第二升压电路单元的升压电感的一端和第三升压电路单元的第一二极管的阳极连接；

第二升压电路单元的升压电感的另一端分别与第三升压电路单元的中间储能电容的一端和第三升压电路单元的第二二极管的阳极连接；

第三升压电路单元的第二二极管的阴极分别与第三升压电路单元的第一二极管的阴极、第三升压电路单元的升压电感的一端和第四升压电路单元的第一二极管的阳极连接；

同理，第N-2升压电路单元的第二二极管的阴极分别与第N-2升压电路单元的第一二极管的阴极、第N-2升压电路单元的升压电感的一端和第N-1升压电路单元的第一二极管的阳极连接；

第N-2升压电路单元的升压电感的另一端分别与第N-1升压电路单元的中间储能电容的一端和第N-1升压电路单元的第二二极管的阳极连接；

第N-1升压电路单元的第二二极管的阴极分别与第N-1升压电路单元的第一二极管的阴极和第N-1升压电路单元的升压电感的一端连接；

开关管的漏极分别与第一二极管的阳极、所有升压电路单元的中间储能电容的另一端和第N-1升压电路单元的升压电感的另一端连接；

第一二极管的阴极分别与第一电容的一端和负载的一端连接；

输入电源的负极分别与开关管的源极、第一电容的另一端和负载的另一端连接。

与现有技术相比本实用新型具有如下优点：

本实用新型只需用一个开关管，且在没有采用逐级串联连接方式的条件下，即可实现变换器增益的大幅提高，即实现输出电压为输入电压的

倍，其中D为本实用新型提供的变换器工作时功率开关管工作的占空比，结构简单，控制方便；

本实用新型工作时利用每个升压模块的内在升压特性，将输入电压泵升，实现输出电压的升高。

附图说明

图1是本实用新型所述的一种非串联级联的N次型Boost变换器的结构图；

图2a、图2b分别是本实用新型所述变换器在一个开关周期内的工作模态1和工作模态2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，箭头所示方向为电流流过的方向；

图3是本实用新型实施例1的结构图，在此实施例中N=3；

图4a、图4b分别是本实用新型所述变换器实施例1在一个开关周期内的工作模态1和工作模态2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，箭头所示方向为电流流过的方向；

图5是本实用新型实施例2的结构图，在此实施例中N=4；

图6是本实用新型所述变换器N取不同值时增益对比曲线图。

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的详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

如图1所示，一种非串联级联的N次型Boost变换器，主要包括输入电路单元W，开关切换单元Y，N-1个升压电路单元(X₁,X₂,X₃,…X_N—1)和输出电路单元Z，其中N≥2，且N为整数；

所述输入电路单元包括输入电源V_g和第一功率电感L₁；

所述N-1个升压电路单元(X₁,X₂,X₃,…X_N—1)，每个升压电路单元X_i都由两个二极管（D_(i+1)1，D_(i+1)2）、一个升压电感L_i+1和一个中间储能电容C_i+1构成，其中i=1,2,3,…,N-1；

所述输出电路单元包括第一二极管D₁、第一电容C₁和负载R。

所述开关切换单元由一个开关管S构成；

其中，输入电源V_g的正极分别与第一功率电感L₁的一端和第一升压电路单元X₁的第一二极管D₂₁的阳极连接；

第一功率电感L₁的另一端分别与第一升压电路单元X₁的中间储能电容C₂的一端和第一升压电路单元X₁的第二二极管D₂₂的阳极连接；

第一升压电路单元X₁的第二二极管D₂₂的阴极分别与第一升压电路单元X₁的第一二极管D₂₁的阴极、第一升压电路单元X₁的升压电感L₂的一端和第二升压电路单元X₂的第一二极管D₃₁的阳极连接；

第一升压电路单元X₁的升压电感L₂的另一端分别与第二升压电路单元X₂的中间储能电容C₃的一端和第二升压电路单元X₂的第二二极管D₃₂的阳极连接；

第二升压电路单元X₂的第二二极管D₃₂的阴极分别与第二升压电路单元X₂的第一二极管D₃₁的阴极、第二升压电路单元X₂的升压电感L₃的一端和第三升压电路单元X₃的第一二极管D₄₁的阳极连接；

第二升压电路单元X₂的升压电感L₃的另一端分别与第三升压电路单元X₃的中间储能电容C₄的一端和第三升压电路单元X₃的第二二极管D₄₂的阳极连接；

第三升压电路单元X₃的第二二极管D₄₂的阴极分别与第三升压电路单元X₃的第一二极管D₄₁的阴极、第三升压电路单元X₃的升压电感L₄的一端和第四升压电路单元X₄的第一二极管D₅₁的阳极连接；

同理，第N-2升压电路单元X_N-2的第二二极管D_(N-1)2的阴极分别与第N-2升压电路单元X_N-2的第一二极管D_(N-1)1的阴极、第N-2升压电路单元X_{N -2}的升压电感L_N—1的一端和第N-1升压电路单元X_N-1的第一二极管D_N1的阳极连接；

第N-2升压电路单元X_N-2的升压电感L_N—1的另一端分别与第N-1升压电路单元X_N-1的中间储能电容C_N的一端和第N-1升压电路单元X_N-1的第二二极管D_N2的阳极连接；

第N-1升压电路单元X_N-1的第二二极管D_N2的阴极分别与第N-1升压电路单元X_N-1的第一二极管D_N1的阴极和第N-1升压电路单元X_N-1的升压电感L_N的一端连接；

开关管S的漏极分别与第一二极管D₁的阳极、所有升压电路单元的中间储能电容（C₂，C₃，C₄，…，C_N）的另一端和第N-1升压电路单元X_N-1的升压电感L_N的另一端连接；

第一二极管D₁的阴极分别与第一电容C₁的一端和负载R的一端连接；

输入电源V_g的负极分别与开关管S的源极、第一电容C₁的另一端和负载R的另一端连接。

如图2a和图2b所示，一种非串联级联的N次型Boost变换器在一个开关周期内主要有2个工作模态，分别描述如下：

工作模态1：

如图2a所示，开关管S开通，所有升压电路单元的第一二极管（D₂₁，D₃₁，D₄₁，…，D_N1）导通，第一二极管D₁和所有升压电路单元的第二二极管（D₂₂，D₃₂，D₄₂，…，D_N2）截止。输入电源V_g和第一升压电路单元X₁的中间储能电容C₂共同给第一功率电感L₁充电，输入电源V_g和第二升压电路单元X₂的中间储能电容C₃共同给第一升压电路单元X₁的升压电感L₂充电，输入电源V_g和第三升压电路单元X₃的中间储能电容C₄共同给第二升压电路单元X₂的升压电感L₃充电，输入电源V_g和第四升压电路单元X₄的中间储能电容C₅共同给第三升压电路单元X₃的升压电感L₄充电，以此类推，输入电源V_g和第N-1升压电路单元X_N-1的中间储能电容C_N共同给第N-2升压电路单元X_N-2的升压电感L_N-1充电；输入电源V_g单独给第N-1升压电路单元X_N-1的升压电感L_N充电，第一功率电感L₁和所有升压电路单元的升压电感（L₂，L₃，L₄，L₅，…，L_N）储能，所有升压电路单元的中间储能电容（C₂，C₃，C₄，C₅，…，C_N）释放能量。第一电容C₁给负载R提供能量。

此工作模态下，相关电气参数关系式为：

$V_{L_1}=V_g+V_{C_2}$

$V_{L_2}=V_g+V_{C_3}$

$V_{L_3}=V_g+V_{C_4}$

…

$V_{L_{N-1}}=V_g+V_{C_N}$

$V_{L_N}=V_g$

其中，分别为第一功率电感L₁和所有升压电路单元的升压电感（L₂，L₃，…，L_N-1，L_N）在工作模态1时两端电压值，V_g为输入电压值，

分别为所有升压电路单元的中间储能电容（C₂，C₃，C₄，…，C_N）两端电压值。

如图2b所示，开关管S关断，第一二极管D₁和所有升压电路单元的第二二极管（D₂₂，D₃₂，D₄₂，…，D_N2）导通，所有升压电路单元的第一二极管（D₂₁，D₃₁，D₄₁，…，D_N1）截止。第一升压电路单元X₁的升压电感L₂通过第一升压电路单元X₁的第二二极管D₂₂向第一升压电路单元X₁的中间储能电容C₂放电，第一升压电路单元X₁的中间储能电容C₂储能，第二升压电路单元X₂的升压电感L₃通过第二升压电路单元X₂的第二二极管D₃₂向第二升压电路单元X₂的中间储能电容C₃放电，第二升压电路单元X₂的中间储能电容C₃储能，第三升压电路单元X₃的升压电感L₄通过第三升压电路单元X₃的第二二极管D₄₂向第三升压电路单元X₃的中间储能电容C₄放电，第三升压电路单元X₃的中间储能电容C₄储能，以此类推，第N-1升压电路单元X_N-1的升压电感L_N通过第N-1升压电路单元X_N-1的第二二极管D_N2向第N-1升压电路单元X_N-1的中间储能电容C_N放电，第N-1升压电路单元X_N-1的中间储能电容C_2N储能；同时，第一功率电感L₁通过第一二极管D₁续流，向负载R释放能量，同时给第一电容C₁充电，第一电容C₁储能。

此工作模态下，相关电气参数关系式为：

$V_{L_1}^{\′}=V_o-V_g-V_{C_2}$

$V_{L_2}^{\′}=V_{C_2}-V_{C_3}$

$V_{L_3}^{\′}=V_{C_4}-V_{C_5}$

$V_{L_{N-1}}^{\′}=V_{C_{N-1}}-V_{C_N}$

$V_{L_N}^{\′}=V_{C_N}$

其中，分别为第一功率电感L₁和所有升压电路单元的升压电感（L₂，L₃，…，L_N-1，L_N）在工作模态2时两端电压值，V_o为输出电压值。

变换器稳定工作时电压增益分析：

设开关管工作的开关周期为T_s，占空比为D，即工作模态1持续时间为DT_s，工作模态2持续时间为(1-D)T_s。根据电感伏秒平衡特性，可得：

$V_{L_1}{\mathrm{DT}}_s=V_{L_1}^{\′}(1-D)T_s$

$V_{L_2}{\mathrm{DT}}_s=V_{L_2}^{\′}(1-D)T_s$

$V_{L_3}{\mathrm{DT}}_s=V_{L_3}^{\′}(1-D)T_s$

$V_{L_{N-1}}{\mathrm{DT}}_s=V_{L_{N-1}}^{\′}(1-D)T_s$

$V_{L_N}{\mathrm{DT}}_s=V_{L_N}^{\′}(1-D)T_s$

综合上述关系式，可得：

$V_{C_2}=(\frac{1}{{(1-D)}^{N-1}}-1)V_g$

$V_{C_3}=(\frac{1}{{(1-D)}^{N-2}}-1)V_g$ $V_{C_4}=(\frac{1}{{(1-D)}^{N-3}}-1)V_g$

$V_{C_N}=(\frac{1}{1-D}-1)V_g$

$V_o=\frac{1}{{(1-D)}^N}{V}_g$

由此可以看出，本实用新型所述的一种非串联级联的N次型Boost变换器的电压增益M为：

$M=\frac{V_o}{V_g}=\frac{1}{{(1-D)}^N}$

实施例1

参考图3和图4a、图4b，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例是实施例1的一种特殊情况，在本实施例中取N=3，即含2个升压电路单元，本实施例电压增益为：

$M=\frac{V_0}{V_g}=\frac{1}{{(1-D)}^3}$

实施例2

参考图5，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例是实施例1的一种特殊情况，在本实施例中取N=4，即含3个升压电路单元，本实施例电压增益为：

$M=\frac{V_o}{V_g}=\frac{1}{{(1-D)}^4}$

参考图6可以看出，本实用新型所述变换器随着N的增加，变换器的增益明显增大。

与现有技术相比本实用新型具有如下优点：

本实用新型只需用一个开关管，且在没有采用逐级串联连接方式的条件下，即可实现变换器增益的大幅提高，即实现输出电压为输入电压的

倍，其中D为本实用新型提供的变换器工作时功率开关管工作的占空比，结构简单，控制方便；

本实用新型工作时利用每个升压模块的内在升压特性，将输入电压泵升，实现输出电压的升高。

上述实施例均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 (3)

1.一种非串联级联的N次型Boost变换器，其特征在于包括输入电路单元（W），开关切换单元（Y），输出电路单元（Z）和N－1个升压电路单元(X ₁, X ₂, X ₃,… X _N—1)，其中N≥2，且N为整数；

所述输入电路单元（W）包括输入电源（V _g ）和第一功率电感（L ₁）；

所述N－1个升压电路单元(X ₁, X ₂, X ₃,… X _N—1)，每个升压电路单元（X _i ）都由两个二极管（D _(i+1)1，D _(i+1)2）、一个升压电感（L _i+1）和一个中间储能电容（C _i+1）构成，其中i=1,2,3,…,N－1；

所述输出电路单元（Z）包括第一二极管（D ₁）、第一电容（C ₁）和负载（R）。

2.根据权利要求1所述的一种非串联级联的N次型Boost变换器，其特征在于：所述开关切换单元（Y）由一个开关管（S）构成。

3.根据权利要求1所述的一种非串联级联的N次型Boost变换器，其特征在于：

输入电源（V _g ）的正极分别与第一功率电感（L ₁）的一端和第一升压电路单元（X ₁）的第一二极管（D ₂₁）的阳极连接；

第一功率电感（L ₁）的另一端分别与第一升压电路单元（X ₁）的中间储能电容（C ₂）的一端和第一升压电路单元（X ₁）的第二二极管（D ₂₂）的阳极连接；

第一升压电路单元（X ₁）的第二二极管（D ₂₂）的阴极分别与第一升压电路单元（X ₁）的第一二极管（D ₂₁）的阴极、第一升压电路单元（X ₁）的升压电感（L ₂）的一端和第二升压电路单元（X ₂）的第一二极管（D ₃₁）的阳极连接；

第一升压电路单元（X ₁）的升压电感（L ₂）的另一端分别与第二升压电路单元（X ₂）的中间储能电容（C ₃）的一端和第二升压电路单元（X ₂）的第二二极管（D ₃₂）的阳极连接；

第二升压电路单元（X ₂）的第二二极管（D ₃₂）的阴极分别与第二升压电路单元（X ₂）的第一二极管（D ₃₁）的阴极、第二升压电路单元（X ₂）的升压电感（L ₃）的一端和第三升压电路单元（X ₃）的第一二极管（D ₄₁）的阳极连接；

第二升压电路单元（X ₂）的升压电感（L ₃）的另一端分别与第三升压电路单元（X ₃）的中间储能电容（C ₄）的一端和第三升压电路单元（X ₃）的第二二极管（D ₄₂）的阳极连接；

第三升压电路单元（X ₃）的第二二极管（D ₄₂）的阴极分别与第三升压电路单元（X ₃）的第一二极管（D ₄₁）的阴极、第三升压电路单元（X ₃）的升压电感（L ₄）的一端和第四升压电路单元（X ₄）的第一二极管（D ₅₁）的阳极连接；

第N－2升压电路单元（X _N－2）的第二二极管（D _(N-1)2）的阴极分别与第N－2升压电路单元（X _N－2）的第一二极管（D _(N-1)1）的阴极、第N－2升压电路单元（X _N－2）的升压电感（L  _N—1）的一端和第N－1升压电路单元（X _N－1）的第一二极管（D _N1）的阳极连接；

第N－2升压电路单元（X _N－2）的升压电感（L _N—1）的另一端分别与第N－1升压电路单元（X _N－1）的中间储能电容（C _N）的一端和第N－1升压电路单元（X _N－1）的第二二极管（D _N2）的阳极连接；

第N－1升压电路单元（X _N－1）的第二二极管（D _N2）的阴极分别与第N－1升压电路单元（X _N－1）的第一二极管（D _N1）的阴极和第N－1升压电路单元（X _N－1）的升压电感（L _N）的一端连接；

开关管（S）的漏极分别与第一二极管（D ₁）的阳极、所有升压电路单元的中间储能电容（C ₂，C ₃，C ₄，…，C _N）的另一端和第N－1升压电路单元（X _N－1）的升压电感（L _N）的另一端连接；

第一二极管（D ₁）的阴极分别与第一电容（C ₁）的一端和负载（R）的一端连接；

输入电源（V _g ）的负极分别与开关管（S）的源极、第一电容（C ₁）的另一端和负载（R）的另一端连接。

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