CN208849667U - 一种输入输出共地有源开关电容z源升压斩波电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路，包括直流输入电源V _in 、第一电感（L ₁）、第二电感（L ₂）、第一电容（C ₁）、第二电容（C ₂）、第三电容（C ₃）、第一二极管（D ₁）、第二二极管（D ₂）、第三二极管（D ₃）、第四二极管（D ₄）、第一开关管（S ₁ ）、第二开关管（S ₂ ）、输出电容（C _out ）和负载。本实用新型相比于Boost变换器、传统准Z源变换器等具有较高的电压增益和较低的电容、开关和二极管电压应力并且输入输出共地，适用于非隔离型高增益直流电压变换的场合。

Description

一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路

技术领域

本实用新型涉及DC/DC变换器领域，具体涉及一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路。

背景技术

在光伏电池和燃料电池等可再生能源发电系统的双级式逆变器中，需要高电压增益的DC/DC变换器来获得较高的直流电压以驱动逆变器。由于开关寄生参数和耐压能力的限制，传统的DC/DC升压变换器难以实现高电压增益和高输出电压。Boost电路的电压增益为1/(1-D)(D为占空比)，为了获得较高的电压增益需要占空比接近于1，而占空比受到开关寄生参数的限制；其二极管和开关的电压应力与输出电压相等，二极管和开关的耐压能力限制了输出电压的幅值。近年来新出现的包括单个Z源或准Z源网络的DC/DC变换器，相较于boost电路电压增益更高，如共地的高增益Z源变换器的电压增益为(2-2D)/(1-2D)(D为占空比)，但是依旧有提升其电压增益的空间。在以上电路的基础上，出现了基于多个Z源和准Z源的DC/DC变换器，如电压增益为1/(1-4D)(D为占空比)Hybrid Z源DC/DC变换器。但是，以上所有的基于单个或多个Z源和准Z源的DC/DC变换器均未明显降低开关的电压应力，因此输出电压幅值依旧受到限制。

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，提出一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路。

本实用新型的目的通过如下技术方案实现。

本实用新型电路中具体包括直流输入电源V_in、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第三电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一开关管、第二开关管、输出电容和负载。

本实用新型电路具体的连接方式为：直流输入电源V_in的正极和第一二极管的阳极连接；第一电感的一端、第一电容的一端、第一二极管的阴极和第二二极管的阳极连接；第一电感的另一端、第二电容的一端、第三二极管的阳极和第一开关管的漏极连接；第三电容的一端、第三二极管的阴极和第二开关管的漏极连接；第三电容的另一端、第四二极管的阳极和第一开关管的源极连接；第二电感的一端、第一电容的另一端、第四二极管的阴极和第二开关管的源极连接；第二二极管的阴极、输出电容的一端和负载的正极连接；直流输入电源V_in的负极、负载的负极、第二电感的另一端、第二电容的另一端和输出电容的另一端连接。

与现有技术相比，本实用新型电路具有的优势为：在电压增益上，相比于传统的Boost变换器(其电压增益为M＝1/(1-D))、共地的高增益Z源变换器(其电压增益为M＝(2-2D)/(1-2D))和Hybrid Z源变换器(其电压增益为M＝1/(1-4D))等DC/DC变换器，具有更高的电压增益，其电压增益为M＝(3-4D)/(1-4D)；在开关电压应力上，相比于传统的Boost变换器(其开关电压应力为V_s＝V_out)、共地的高增益Z源变换器(其开关电压应力为V_s＝V_out-V_in)和Hybrid Z源变换器(其开关电压应力为V_s＝V_out)等DC/DC变换器，具有更小的开关电压应力，其电压应力为V_s＝(V_out-V_in)/2。当输入电压和输出电压相同时，本实用新型电路的开关占空比较小并且开关应力较小，并且输入输出共地，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为一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路结构图。

图2为一个开关周期主要元件的电压电流波形图。

图3a～3b为一个开关周期T内电路模态图。

图4为本实用新型提出的电路、Boost变换器、共地的高增益Z源变换器和Hybrid Z源变换器的电压增益与占空比D的关系图。

图5为本实用新型提出的电路、Boost变换器、共地的高增益Z源变换器和Hybrid Z源变换器的开关电压应力与输入电压的比值V_s/V_in与电压增益的关系图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方案进行具体说明，但本实用新型的实施不限于此，需指出的是以下若有未特别详细说明之符号或过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。

本实例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。

一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路，包括直流输入电源V_in、第一电感L₁、第二电感L₂、第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第一开关管S₁、第二开关管S₂、输出电容C_out和负载。所述的直流输入电源V_in的正极和第一二极管D₁的阳极连接；所述的第一电感L₁的一端、第一电容C₁的一端、第一二极管D₁的阴极和第二二极管D₂的阳极连接；

所述的第一电感L₁的另一端、第二电容C₂的一端、第三二极管D₃的阳极和第一开关管S₁的漏极连接；所述的第三电容C₃的一端、第三二极管D₃的阴极和第二开关管S₂的漏极连接；所述的第三电容C₃的另一端、第四二极管D₄的阳极和第一开关管S₁的源极连接；所述的第二电感L₂的一端、第一电容C₁的另一端、第四二极管D₄的阴极和第二开关管S₂的源极连接；所述的第二二极管D₂的阴极、输出电容C_out的一端和负载的正极连接；所述的直流输入电源V_in的负极、负载的负极、第二电感L₂的另一端、第二电容C₂的另一端和输出电容C_out的另一端连接。

为了分析方便，电路结构中的器件均视为理想器件。第一开关管S₁和第二开关管S₂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、第四二极管D₄电流i_D4、第一电感L₁电流i_L1、第二电感L₂电流i_L2、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、输出电容C_out电压V_Co和输出电压V_out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，第一开关管S₁和第二开关管S₂的驱动信号V_GS为高电平，第一开关管S₁和第二开关管S₂导通，第一二极管D₁、第三二极管D₃和第四二极管D₄承受反向电压截止，第二二极管D₂承受正向电压导通。第一电容C₁和第三电容C₃通过第一开关管S₁和第二开关管S₂向第一电感L₁充电，第二电容C₂和第三电容C₃通过第一开关管S₁和第二开关管S₂向第二电感L₂充电，第一电容C₁、第二电容C₂和第三电容C₃通过第一开关管S₁、第二开关管S₂和第二二极管D₂向输出电容C_out充电和向负载供电。

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为低电平，第一开关管S₁和第二开关管S₂关断，第一二极管D₁、第三二极管D₃和第四二极管D₄承受正向电压导通，第二二极管D₂承受反向电压截止。直流输入电源V_in和第一电感L₁通过第一二极管D₁给第二电容C₂充电，直流输入电源V_in和第二电感L₂通过第一二极管D₁给第一电容C₁充电，直流输入电源V_in、第一电感L₁和第二电感L₂通过第一二极管D₁、第三二极管D₃和第四二极管D₄给第三电容C₃充电，输出电容C_out向负载供电。

本实用新型电路的电压增益计算如下。

由第一电感L₁与第二电感L₂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_C1+V_C3)t_on+(V_in-V_C2)t_off＝0 (1)

(V_C2+V_C3)t_on+(V_in-V_C1)t_off＝0 (2)

(V_C1+V_C2+2V_C3)t_on+(V_in-V_C3)t_off＝0 (3)

(V_out+V_C3)t_on+(V_in-V_C3)t_off＝0 (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和开关占空比D的关系。

传统Boost变换器的电压增益为1/(1-D)(D为占空比)，共地的高增益Z源变换器的电压增益为(2-2D)/(1-2D)(D为占空比)，Hybrid Z源DC/DC变换器的电压增益为1/(1-4D)(D为占空比)，本实用新型所提电路与Boost变换器、共地的高增益Z源变换器和Hybrid Z源DC/DC变换器的稳态增益比较图如图4所示，从图4可知，在相同的条件下，本电路的电压增益最高。

本实用新型电路的开关管电压应力计算如下。

第一开关管S₁和第二开关管S₂关断的时候，开关管电压应力V_S1和V_S2为

V_S1＝V_S2＝V_C3 (6)

联立求解式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)可以得到第一开关管S₁和第二开关管S₂电压应力为

传统Boost变换器的开关管电压应力为V_s＝V_out，共地的高增益Z源变换器的开关管电压应力为V_s＝V_out-V_in，Hybrid Z源DC/DC变换器的开关管电压应力为V_s＝V_out，本实用新型所提电路与Boost变换器、共地的高增益Z源变换器和Hybrid Z源DC/DC变换器的开关管电压应力比较图如图5所示，从图5可知，在相同的条件下，本电路的开关管电压应力最小。

Claims (3)

1.一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路，其特征在于包括直流输入电源V _in 、第一电感（L ₁）、第二电感（L ₂）、第一电容（C ₁）、第二电容（C ₂）、第三电容（C ₃）、第一二极管（D ₁）、第二二极管（D ₂）、第三二极管（D ₃）、第四二极管（D ₄）、第一开关管（S ₁ ）、第二开关管（S ₂ ）、输出电容（C _out ）和负载；

所述的直流输入电源V _in 的正极和第一二极管（D ₁）的阳极连接；

所述的第一电感（L ₁）的一端、第一电容（C ₁）的一端、第一二极管（D ₁）的阴极和第二二极管（D ₂）的阳极连接；

所述的第一电感（L ₁）的另一端、第二电容（C ₂）的一端、第三二极管（D ₃）的阳极和第一开关管（S ₁）的漏极连接；

所述的第三电容（C ₃）的一端、第三二极管（D ₃）的阴极和第二开关管（S ₂）的漏极连接；

所述的第三电容（C ₃）的另一端、第四二极管（D ₄）的阳极和第一开关管（S ₁）的源极连接；

所述的第二电感（L ₂）的一端、第一电容（C ₁）的另一端、第四二极管（D ₄）的阴极和第二开关管（S ₂）的源极连接；

所述的第二二极管（D ₂）的阴极、输出电容（C _out ）的一端和负载的正极连接；

所述的直流输入电源V _in 的负极、负载的负极、第二电感（L ₂）的另一端、第二电容（C ₂）的另一端和输出电容（C _out ）的另一端连接。

2.根据权利要求1所述的一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路，其特征在于：输出电压V _out 与直流输入电压V _in 和开关占空比D的关系为。

3.根据权利要求1所述的一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路，其特征在于：第一开关管（S ₁ ）和第二开关管（S ₂ ）电压应力为

。