CN205336112U - 一种高增益Trans-Z源升压变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种高增益Trans-Z源升压变换器。所述变换器包括直流输入电源<i>V_in</i>、第一电感（<i>L</i>₁）、第一二极管（<i>D</i>₁）、第一电容（<i>C</i>₁）、第二电容（<i>C</i>₂）、第三电容（<i>C</i>₃）、第二二极管（<i>D</i>₂）、匝比为1:<i>n</i>的变压器（<i>T</i>）、开关管（<i>S</i>）、第三二极管（<i>D</i>₃）、输出电容（<i>C_out</i>）和负载。其主要特征在于：所述的直流输入电源<i>V_in</i>的正极与第一电感（<i>L</i>₁）的一端连接。本实用新型相比于Boost变换器、准Z源变换器等具有较高的电压增益，适用于非隔离型高增益直流电压变换的场合。

Description

一种高增益Trans-Z源升压变换器

技术领域

本实用新型涉及DC/DC变换器领域，具体涉及一种高增益Trans-Z源升压变换器。

背景技术

光伏、燃料电池等可再生能源发电系统的发展已成为解决化石燃料短缺和保护环境的重要手段之一。但光伏、燃料电池等输出的电压很低，一般需要DC/DC变换器升压。然而许多升压DC/DC变换器受到占空比、生热和损耗的限制，无法实现大幅度的升压，如Boost变换器，其电压增益为1/(1-D)，D为占空比，但由于寄生参数的影响，其增益受到限制；又如准Z源变换器，其电压增益为1/(1-2D)，较Boost变换器有了一定的提高，但仍有提升的空间。

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，提出一种高增益Trans-Z源升压变换器。

本实用新型电路中具体包括直流输入电源V_in、第一电感所述、第一二极管所述、第一电容所述、第二电容所述、第三电容所述、第二二极管所述、匝比为1:n(n≥2)所述的变压器所述、开关管所述、第三二极管所述、输出电容所述和负载。

本实用新型电路具体的连接方式为：所述的直流输入电源V_in的正极与第一电感所述的一端连接。所述的第一电感所述的另外一端与第一二极管所述的阳极和第二电容所述的一端连接。所述的第一二极管所述的阴极与第一电容所述的一端、第三电容所述的一端和第二二极管所述的阳极连接。所述的第二二极管所述的阴极与变压器所述副边的同名端连接。所述的变压器所述副边的异名端与第三电容所述的另外一端和变压器所述原边的同名端连接。所述的变压器所述原边的异名端与第二电容所述的另外一端、开关管所述的漏极和第三二极管所述的阳极连接。所述的第三二极管所述的阴极与输出电容所述的一端和负载的一端连接。所述的输出电容所述与负载并联。所述的直流输入电源V_in的负极与第一电容所述的另外一端、开关管所述的源极、输出电容所述的另外一端和负载的另外一端连接。

与现有技术相比，本实用新型电路具有的优势为：相比于传统的Boost变换器(其输出电压为)和准Z源变换器(其输出电压为)等DC/DC变换器，在相同的占空比和输入电压的情况下，具有更高的输出电压，输出电压为在相同的输入电压和输出电压条件下，本实用新型电路只需要较小的占空比就可以将低等级电压升至高等级的电压，而且输入输出共地、输入电流连续等，因此本实用新型电路具有很广泛的应用前景。

附图说明

图1为一种高增益Trans-Z源升压变换器结构图。

图2为一个开关周期主要元件的电压电流波形图。

图3a、图3b为一个开关周期内电路模态图。

图4为提出的电路、Boost和准Z源变换器的增益V_out/V_in随占空比D变化的波形图。

具体实施方式

为以下结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述说明，但本实用新型的实施方式不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或参数，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。

本实用新型的基本拓扑结构和各主要元件电压电流参考方向如图1所示。为了分析方便，电路结构中的器件均视为理想器件。开关管S的驱动信号v_GS、第一二极管D₁电流i_D1、第二二极管D₂电流i_D2、第三二极管D₃电流i_D3、第一电感L₁电流i_L1、变压器T的励磁电感L_m电流i_Lm、第一电容C₁电压V_C1、第二电容C₂电压V_C2、第三电容C₃电压V_C3的波形图如图2所示。

在t₀～t₁阶段，变换器在此阶段的模态图如图3a所示，开关管S的驱动信号v_GS从低电平变为高电平，开关管S导通，第一二极管D₁、第二二极管D₂和第三二极管D₃承受反向电压截止。直流输入电源V_in与第二电容C₂通过开关管S同时给第一电感L₁充电，第一电容C₁和第三电容C₃通过开关管S同时给变压器T的励磁电感L_m充电。此外，输出电容C_out给负载供电。

在t₁～t₂阶段，变换器在此阶段的模态图如图3b所示，开关管S的驱动信号v_GS从高电平变为低电平，开关管S关断，第一二极管D₁、第二二极管D₂和第三二极管D₃承受正向电压导通。直流输入电源V_in和第一电感L₁通过第一二极管D₁和第三二极管D₃同时给第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、输出电容C_out和负载充电，变压器T的励磁电感L_m通过第一二极管D₁和第二二极管D₂同时给第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、输出电容C_out和负载充电。此外，直流输入电源V_in、第一电感L₁和变压器T的励磁电感L_m通过第一二极管D₁、第二二极管D₂和第三二极管D₃同时给输出电容C_out和负载充电。

本实用新型电路的稳态增益推导如下。

由第一电感L₁与变压器T的励磁电感L_m的电压在一个开关周期内的平均值为零，可得到下列关系式。

(V_in+V_C2)t_on+(V_in-V_C1)t_off＝0(1)

$(V_{C1}+V_{C3})t_{on}-\frac{V_{C3}}{n}{t}_{off}=0---\left(2\right)$

$-\frac{V_{C3}}{n}=V_{C3}-V_{C2}---\left(3\right)$

又当开关管S关断时，输出电压V_out满足下列关系式。

V_out＝V_C1+V_C2(4)

联立求解式(1)、(2)、(3)、(4)可得到输出电压V_out与直流输入电压V_in的关系。

$V_{out}=\frac{1}{1-(n+2)D}{V}_{in}---\left(5\right)$

传统Boost变换器与准Z源变换器的稳态增益分别为1/(1-D)和(1-D)/(1-2D)(D为占空比)，当匝比n＝2时，本实用新型所提电路与Boost变换器、准Z源变换器的稳态增益比较图如图4所示，从图4可知，当输入电压为10V时，本实用新型提出的电路只需占空比为0.24就可以升至250V左右，而另两种变换器则需要较大的占空比。

Claims (1)

1.一种高增益Trans-Z源升压变换器，其特征在于包括直流输入电源、第一电感（L ₁）、第一二极管（D ₁）、第一电容（C ₁）、第二电容（C ₂）、第三电容（C ₃）、第二二极管（D ₂）、匝比为1:n的变压器（T）、开关管（S）、第三二极管（D ₃）、输出电容（C _out ）和负载；

所述直流输入电源的正极与第一电感（L ₁）的一端连接；所述第一电感（L ₁）的另外一端与第一二极管（D ₁）的阳极和第二电容（C ₂）的一端连接；所述第一二极管（D ₁）的阴极与第一电容（C ₁）的一端、第三电容（C ₃）的一端和第二二极管（D ₂）的阳极连接；所述第二二极管（D ₂）的阴极与变压器（T）副边的同名端连接；所述变压器（T）副边的异名端与第三电容（C ₃）的另外一端和变压器（T）原边的同名端连接；所述变压器（T）原边的异名端与第二电容（C ₂）的另外一端、开关管（S）的漏极和第三二极管（D ₃）的阳极连接；所述第三二极管（D ₃）的阴极与输出电容（C _out ）的一端和负载的一端连接；所述输出电容（C _out ）与负载并联；所述直流输入电源V _in 的负极与第一电容（C ₁）的另外一端、开关管（S）的源极、输出电容（C _out ）的另外一端和负载的另外一端连接。