CN206698116U

CN206698116U - 一种降低开关管电流应力的高增益直流电压变换器

Info

Publication number: CN206698116U
Application number: CN201720371634.7U
Authority: CN
Inventors: 陈艳峰; 陈柱; 张波; 丘东元
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2017-04-11
Filing date: 2017-04-11
Publication date: 2017-12-01
Anticipated expiration: 2027-04-11

Abstract

本实用新型公开了一种降低开关管电流应力的高增益直流电压变换器，包括电压源、第一准Z源模块、第二准Z源模块、输出模块，所述第一准Z源模块由第一电容、第二电容、第一电感、第二电感、第一开关管和第一二极管组成，所述第二准Z源模块由第三电容、第四电容、第三电感、第四电感、第二开关管和第二二极管组成，所述输出模块由第三二极管、第五电容和负载组成。本实用新型采用两组准Z源模块，显著降低了二极管和开关管的电流应力，同时两组准Z源模块具有自动均流能力，提高了功率容量，电路不存在启动冲击问题。

Description

一种降低开关管电流应力的高增益直流电压变换器

技术领域

本实用新型涉及电力电子变换器的技术领域，尤其是指一种基于准Z源桥式结构降低开关管电流应力的高增益直流电压变换器。

背景技术

面对日益严峻的能源危机和环境污染问题，寻找新能源来替代日益枯竭的化石能源已成为当务之急。然而，新能源的输出特性往往不满足现有工业体系的电能质量要求，需要经过电能变换才能够使用。传统的Z源变换器和准Z源变换器虽然能够在低占空比时获得较大的输出电压，但是在在负载功率较大的场合，传统的Z源变换器和准Z源变换器的电容的应力过大，同时流经电感的电流很大，增大了电感的磁芯和绕线难度，且开关管和二极管的电流应力大，不利于系统散热，因此限制了Z源变换器和准Z源变换器的应用。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供了一种基于准Z源桥式结构降低开关管电流应力的高增益直流电压变换器，适用于需要大功率和高增益的电力电子电路。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种降低开关管电流应力的高增益直流电压变换器，包括电压源、第一准Z源模块、第二准Z源模块、输出模块，所述第一准Z源模块由第一电容、第二电容、第一电感、第二电感、第一开关管和第一二极管组成，所述第二准Z源模块由第三电容、第四电容、第三电感、第四电感、第二开关管和第二二极管组成，所述输出模块由第三二极管、第五电容和负载组成；所述电压源的正极分别与第一二极管的阳极、第二电容的负极和第四电感的一端连接，其负极分别与第二电感的一端、第三电容的负极和第二开关管的源极连接；所述第一二极管的阴极分别与第一电容的正极和第一电感的一端连接；所述第一电感的另一端分别与第二电容的正极和第一开关管的漏极连接；所述第一开关管的源极分别与第一电容的负极、第二电感的另一端、第五电容的负极和负载一端连接；所述第四电感的另一端分别与第二二极管的阳极、第三二极管的阳极和第四电容的负极连接；所述第三二极管的阴极分别与第五电容的正极和负载另一端连接；所述第二二极管的阴极分别与第三电容的正极和第三电感的一端连接；所述第三电感的另一端分别与第四电容的正极和第二开关管的漏极连接。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

本实用新型采用两组准Z源模块，显著降低了二极管和开关管的电流应力，同时两组准Z源模块具有自动均流能力，提高了功率容量，电路不存在启动冲击问题。

附图说明

图1是本实用新型所述高增益直流电压变换器的电路原理图。

图2a、图2b分别是本实用新型所述高增益直流电压变换器在第一开关管S₁和第二开关管S₂导通和关断中两个主要阶段的等效电路图，图中实线表示变换器中有电流流过的部分，虚线表示变换器中无电流流过的部分。

图3是本实用新型电路的仿真主要工作波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

参见图1所示，本实施例所提供的高增益直流电压变换器，包括电压源V_i、第一准Z源模块、第二准Z源模块、输出模块，所述第一准Z源模块由第一电容C₁、第二电容C₂、第一电感L₁、第二电感L₂、第一开关管S₁和第一二极管D₁组成，所述第二准Z源模块由第三电容C₃、第四电容C₄、第三电感L₃、第四电感L₄、第二开关管S₂和第二二极管D₂组成，所述输出模块由第三二极管D₃、第五电容C₅和负载R组成；所述电压源V_i的正极分别与第一二极管D₁的阳极、第二电容C₂的负极和第四电感L₄的一端连接，其负极分别与第二电感L₂的一端、第三电容C₃的负极和第二开关管S₂的源极连接；所述第一二极管D₁的阴极分别与第一电容C₁的正极和第一电感L₁的一端连接；所述第一电感L₁的另一端分别与第二电容C₂的正极和第一开关管S₁的漏极连接；所述第一开关管S₁的源极分别与第一电容C₁的负极、第二电感L₂的另一端、第五电容C₅的负极和负载R一端连接；所述第四电感L₄的另一端分别与第二二极管D₂的阳极、第三二极管D₃的阳极和第四电容C₄的负极连接；所述第三二极管D₃的阴极分别与第五电容C₅的正极和负载R另一端连接；所述第二二极管D₂的阴极分别与第三电容C₃的正极和第三电感L₃的一端连接；所述第三电感L₃的另一端分别与第四电容C₄的正极和第二开关管S₂的漏极连接。

此外，上述高增益直流电压变换器的输入端可以串联或者并联滤波电路用来改善电路的特性。

第一开关管S₁和第二开关管S₂导通时，第一电容C₁对第一电感L₁充电；电压源V_i和第二电容C₂对第二电感L₂充电；第三电容C₃对第三电感L₃充电；电压源V_i和第四电容C₄对第四电感L₄充电；第五电容C₅为负载R供电。第一开关管S₁和第二开关管S₂关断时，第一电感L₁通过第一二极管D₁对第二电容C₂充电；电压源V_i和第二电感L₂通过第一二极管D₁对第一电容C₁充电；第三电感L₃通过第二二极管D₂对第四电容C₄充电；电压源V_i和第四电感L₄通过第二二极管D₂对第三电容C₃充电；电压源V_i、第二电感L₂、第四电感L₄通过第三二极管D₃对第五电容C₅充电，同时给负载R供电。本实用新型显著降低了二极管和开关管的电流应力，提高了Z源变换器的功率容量。

参见图2a、图2b所示，给出了第一开关管S₁和第二开关管S₂导通和关断中两个主要阶段的等效电路图。结合图2a、图2b，本实施例上述的高增益直流电压变换器的工作过程如下：

阶段1，如图2a：第一开关管S₁和第二开关管S₂导通，此时第一二极管D₁、第二二极管D₂和第三二极管D₃关断；电路中形成5个回路，分别是：第一电容C₁对第一电感L₁充电；电压源V_i和第二电容C₂对第二电感L₂充电；第三电容C₃对第三电感L₃充电；电压源V_i和第四电容C₄对第四电感L₄充电；第五电容C₅为负载R供电。

阶段2，如图2b：第一开关管S₁和第二开关管S₂关断，此时第一二极管D₁、第二二极管D₂和第三二极管D₃导通；电路中形成5个回路，分别是：第一电感L₁通过第一二极管D₁对第二电容C₂充电；电压源V_i和第二电感L₂通过第一二极管D₁对第一电容C₁充电；第三电感L₃通过第二二极管D₂对第四电容C₄充电；电压源V_i和第四电感L₄通过第二二极管D₂对第三电容C₃充电；电压源V_i、第二电感L₂、第四电感L₄通过第三二极管D₃对第五电容C₅充电，同时给负载R供电。

综上情况，一个开关周期内，设开关管占空比为d，设第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第四电感L₄、第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、第四电容C₄的电压分别为v_L1、v_L2、v_L3、v_L4、v_C1、v_C2、v_C3、v_C4，设输出电压为V_o，得出以下电压增益的推导过程。

第一开关管S₁和第二开关管S₂导通期间，对应阶段1所述的工作情形，因此有如下公式：

v_L1＝v_C1 (1)

v_L2＝v_C2+V_i (2)

v_L3＝v_C3 (3)

v_L4＝v_C4+V_i (4)

第一开关管S₁和第二开关管S₂关断期间，对应阶段2所述的工作情形，因此有如下公式：

v_L1＝-v_C2 (5)

v_L2＝V_i-v_C1 (6)

v_L3＝-v_C4 (7)

v_L4＝V_i-v_C3 (8)

V_o＝v_C1+v_C3-V_i (9)

由以上分析，根据电感的伏秒特性，有，

对于第一电感L₁：

v_C1d+(-v_C2)(1-d)＝0 (10)

对于第二电感L₂：

(v_C2+V_i)d+(V_i-v_C1)(1-d)＝0 (11)

对于第三电感L₃：

v_C3d+(-v_C4)(1-d)＝0 (12)

对于第四电感L₄：

(v_C4+V_i)d+(V_i-v_C3)(1-d)＝0 (13)

联立式子(9)-(13)，可得到该电路的输出电压表达式为：

在一个开关周期中，设周期为T，设第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第四电感L₄的电流的平均值分别为设第一电容C₁和第三电容C₃在开关关断期间的电流分别为i_C1、i_C3。根据电容的安秒特性，有以下公式，

对于第一电容C₁：

对于第二电容C₂：

对于第三电容C₃：

对于第四电容C₄：

第一开关管S₁和第二开关管S₂导通时，设电源V_i的耗能为W_ion，则有：

第一开关管S₁和第二开关管S₂断开时，设电源V_i的耗能为W_ioff，根据基尔霍夫电流定律，则有：

一个开关周期内，设电源的输入功率为P_i，负载的输出功率为P_o，电路的效率为η，则有：

联立式子(15)-(22)，可得到各个电感电流的平均值分别为：

第一开关管S₁和第二开关管S₂导通时，若不考虑电流纹波影响，则开关管的电流应力均为：

由式子(14)可知，本实用新型所述的一种基于准Z源桥式结构降低开关管电流应力的高增益直流电压变换器的电压增益为与传统的Z源变换器和准Z源变换器的电压增益一致，在占空比d小于0.5的情况下，能实现较大的电压增益。同时，由式子(26)可知，本实用新型的开关管的电流应力为而传统的Z源变换器和准Z源变换器的开关管的电流应力为故在相同的输出功率和效率的条件下，本实用新型能显著地减低一半的开关管的电流应力，且两开关管的电流应力均相等，实现了自动均流。

设开关管的最大允许电流应力为I_sw-max，由式子(26)可得，本实用新型的功率容量为：

P_o＝ηV_iI_sw-max (21)

而传统的Z源和准Z源变换器的功率容量为：

由式子(21)和式子(22)可知，在输入电压V_i相同，效率η相同，开关管具有相同的电流应力上限I_sw-max时，本实用新型的功率容量为传统Z源变换器的两倍。

在电压源V_i＝1V，占空比d＝0.4，输出功率P_o＝2.5W的情况下，由式子(14)、(25)和(26)得到的输出电压的理论分析结果为V_o＝5V，第二电感电流的平均值的理论分析结果为开关管的电流应力的理论分析结果为2.5A。图3所示对应参数下的仿真波形，可以看出输出电压的仿真结果也接近5V，电感电流的平均值的仿真结果也接近1.5A，开关管的电流应力的仿真结果接近2.5A，从而有效验证了理论分析的正确性。可见，本实用新型能够降低开关管和二极管的电流应力，扩大变换器的功率容量，具有较高的应用价值。

以上所述实施例只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种降低开关管电流应力的高增益直流电压变换器，其特征在于：包括电压源(V_i)、第一准Z源模块、第二准Z源模块、输出模块，所述第一准Z源模块由第一电容(C₁)、第二电容(C₂)、第一电感(L₁)、第二电感(L₂)、第一开关管(S₁)和第一二极管(D₁)组成，所述第二准Z源模块由第三电容(C₃)、第四电容(C₄)、第三电感(L₃)、第四电感(L₄)、第二开关管(S₂)和第二二极管(D₂)组成，所述输出模块由第三二极管(D₃)、第五电容(C₅)和负载(R)组成；所述电压源(V_i)的正极分别与第一二极管(D₁)的阳极、第二电容(C₂)的负极和第四电感(L₄)的一端连接，其负极分别与第二电感(L₂)的一端、第三电容(C₃)的负极和第二开关管(S₂)的源极连接；所述第一二极管(D₁)的阴极分别与第一电容(C₁)的正极和第一电感(L₁)的一端连接；所述第一电感(L₁)的另一端分别与第二电容(C₂)的正极和第一开关管(S₁)的漏极连接；所述第一开关管(S₁)的源极分别与第一电容(C₁)的负极、第二电感(L₂)的另一端、第五电容(C₅)的负极和负载(R)一端连接；所述第四电感(L₄)的另一端分别与第二二极管(D₂)的阳极、第三二极管(D₃)的阳极和第四电容(C₄)的负极连接；所述第三二极管(D₃)的阴极分别与第五电容(C₅)的正极和负载(R)另一端连接；所述第二二极管(D₂)的阴极分别与第三电容(C₃)的正极和第三电感(L₃)的一端连接；所述第三电感(L₃)的另一端分别与第四电容(C₄)的正极和第二开关管(S₂)的漏极连接。