CN212935780U - 高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种高增益组合式Zeta‑Buck/Boost变换器，将具有升压能力的Zeta变换器与Buck/Boost变换器从结构上进行组合，并引入DCM结构的升压单元，得到本申请中的变换器拓扑结构。该变换器包括输入电源、主开关、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第三电容、第一续流二极管、第二续流二极管以及输出电阻。本申请所提供的高增益组合式Zeta‑Buck/Boost变换器，仅使用一个开关管，具有控制简单的优点，可以按照升压需求对DCM结构进行多次叠加，每增加一个DCM结构，变换器的电压增益在原基础上提升相应倍数，可使得变换器结构拓展以及实现较高的电压增益，并且，开关管与二极管的电压应力在原基础上对应减小，提高了变换器的升压效率。

Description

高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，具体而言，涉及一种高增益组合式 Zeta-Buck/Boost变换器。

背景技术

现阶段，用于太阳能发电的光伏电池板的输出电压等级低，一般为18～60V，为了与后级直流电网的电压等级相匹配，或者与逆变器的逆变电压等级相匹配，需要将光伏电池板的输出电压等级提升至高电压等级，一般为200～400V。

实际中，通常使用具有升压能力的DC-DC(直流-直流)变换器提升光伏电池板的输出电压等级，但是，常见的DC-DC变换器，比如，Zeta变换器、Buck/Boost变换器，升压能力差，升压效率低，无法保证将光伏电池板的输出电压等级提升至200～400V，因此，亟待提出高增益、高效率的DC-DC变换器。

实用新型内容

有鉴于此，本申请实施例的目的在于提供一种高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器，将Buck/Boost变换器与Zeta变换器的输入端并联、输出端串联，得到一种组合式变换器，该组合式变换器升压能力强，升压效率高。

本申请实施例提供了一种高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器，所述变换器包括输入电源、主开关、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第三电容、第一续流二极管、第二续流二极管以及输出电阻，所述输入电源的正极与所述主开关的一端相连，所述输入电源的负极分别与所述第一电感的一端、所述第一续流二极管的一端、所述第一电容的一端、所述第二电容的一端相连，所述第三电容的一端分别与所述主开关的另一端、所述第一电感的另一端相连，所述第三电容的另一端分别与所述第一续流二极管的另一端、所述第二电感的一端相连，所述第二电感的另一端与所述第一电容的另一端相连，所述第二续流二极管的一端与所述第三电容的一端相连，所述第二续流二极管的另一端与所述第二电容的另一端相连，所述输出电阻的一端与所述第一电容的另一端相连，所述输出电阻的另一端与所述第二电容的另一端相连。

在一种可能的实施方式中，所述变换器还包括升压模块，所述升压模块对应有第一端口、第二端口以及第三端口，所述升压模块的第一端口与所述输入电源的负极相连，所述第二续流二极管的一端与所述第三电容的一端相连，包括：

所述第二续流二极管的一端与所述升压模块的第二端口相连，所述升压模块的第三端口与所述第三电容的一端相连。

在一种可能的实施方式中，所述升压模块包括多个升压单元，每个所述升压单元对应有第一分端口、第二分端口以及第三分端口；

若所述多个升压单元为一个升压单元，则所述升压模块的第一端口与所述输入电源的负极相连，包括：所述升压单元的第一分端口与所述输入电源的负极相连；所述第二续流二极管的一端与所述第三电容的一端相连，包括：所述第二续流二极管的一端与所述升压单元的第二分端口相连，所述升压单元的第三分端口与所述第三电容的一端相连；

若所述多个升压单元为两个或两个以上升压单元，则所述升压模块的第一端口与所述输入电源的负极相连，包括：所述多个升压单元中的首个升压单元的第一分端口与所述输入电源的负极相连；所述第二续流二极管的一端与所述第三电容的一端相连，包括：所述多个升压单元中的尾个升压单元的第二分端口与所述第二续流二极管的一端相连，所述多个升压单元中的首个升压单元的第三分端口与所述第三电容的一端相连。

在一种可能的实施方式中，每个所述升压单元包括第四电容、第五电容、第三续流二极管以及第四续流二极管，其中，所述第三续流二极管的一端与所述第四电容的一端相连，所述第四电容的另一端与所述第四续流二极管的一端相连，所述第四续流二极管的另一端分别与所述第三续流二极管的另一端、所述第五电容的一端相连，所述第五电容的另一端为所述升压单元的第一分端口，所述第四电容的一端为所述升压单元的第三分端口，所述第四电容的另一端为所述升压单元的第二分端口。

在一种可能的实施方式中，当所述多个升压单元为两个或两个以上升压单元时，针对所述多个升压单元中任意两个相邻的升压单元，前一个升压单元的第二分端口与后一个升压单元的第三分端口相连，后一个升压单元的第一分端口与前一个升压单元中的第五电容的一端相连。

在一种可能的实施方式中，所述第一电容的一端为负极，所述第二电容的一端为正极。

本申请实施例提供了一种高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器，将具有升压能力的 Zeta变换器与Buck/Boost变换器从结构上进行组合，并引入DCM结构的升压单元，得到本申请中的变换器拓扑结构。该变换器包括输入电源、主开关、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第三电容、第一续流二极管、第二续流二极管以及输出电阻。本申请实施例所提供的高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器，仅使用一个开关管，具有控制简单的优点，可以按照升压需求对DCM结构进行多次叠加，每增加一个DCM结构，变换器的电压增益在原基础上提升相应倍数，可使得变换器结构拓展以及实现较高的电压增益，并且，开关管与二极管的电压应力在原基础上对应减小，提高了变换器的升压效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本申请实施例提供的一种高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器的结构示意图；

图2示出了本申请实施例提供的一种Zeta变换器的结构示意图；

图3示出了本申请实施例提供的一种Buck/Boost变换器的结构示意图；

图4示出了本申请实施例提供的一种高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器的主要波形图；

图5示出了本申请实施例提供的一种高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器的第一工作模态示意图；

图6示出了本申请实施例提供的一种高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器的第二工作模态示意图；

图7示出了本申请实施例提供的一种高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器的第三工作模态示意图；

图8示出了本申请实施例提供的当升压模块为一个升压单元时，高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器的结构示意图；

图9示出了本申请实施例提供的当升压模块为一个升压单元时，高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器的结构示意图的主要波形图；

图10示出了本申请实施例提供的当升压模块为一个升压单元时，高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器的第一工作模态示意图；

图11示出了本申请实施例提供的当升压模块为一个升压单元时，高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器的第二工作模态示意图；

图12示出了本申请实施例提供的当升压模块为多个升压单元时，高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器的第一工作模态示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和变换器具体工作过程以及工作性能对本实用新型进行详细的说明。

参见图1所示，图1为本申请实施例提供的高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器的结构示意图，该变换器包括输入电源V_in、主开关S、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、第一续流二极管D₁、第二续流二极管D₂以及输出电阻R，所述输入电源V_in的正极与所述主开关S的一端相连，所述输入电源V_in的负极分别与所述第一电感L₁的一端、所述第一续流二极管D₁的一端、所述第一电容C₁的一端、所述第二电容 C₂的一端相连，所述第三电容C₃的一端分别与所述主开关S的另一端、所述第一电感L₁的另一端相连，所述第三电容C₃的另一端分别与所述第一续流二极管D₁的另一端、所述第二电感L₂的一端相连，所述第二电感L₂的另一端与所述第一电容C₁的另一端相连，所述第二续流二极管D₂的一端与所述第三电容C₃的一端相连，所述第二续流二极管D₂的另一端与所述第二电容C₂的另一端相连，所述输出电阻R的一端与所述第一电容C₁的另一端相连，所述输出电阻R的另一端与所述第二电容C₂的另一端相连。

本申请实施例中，在图1中，主开关S的一端为主开关S的左端，主开关S的另一端为主开关S的右端，第一电感L₁的一端为第一电感L₁的下端，第一电感L₁的另一端为第一电感L₁的上端，第二电感L₂的一端为第二电感L₂的左端，第二电感L₂的另一端为第二电感L₂的右端，第一电容C₁的一端为第一电容C₁的下端，第一电容C₁的另一端为第一电容 C₁的上端，第二电容C₂的一端为第二电容C₂的上端，第二电容C₂的另一端为第二电容C₂的下端，第三电容C₃的一端为第三电容C₃的左端，第三电容C₃的另一端为第三电容C₃的右端，第一续流二极管D₁的一端为第一续流二极管D₁的下端，第二续流二极管D₂的一端为第二续流二极管D₂的左端，第二续流二极管D₂的另一端为第二续流二极管D₂的右端，输出电阻R的一端为输出电阻R的上端，输出电阻R的另一端为输出电阻R的下端。

参见图2所示，图2为Zeta变换器的结构示意图，参见图3所示，图3为Buck/Boost变换器的结构示意图，Zeta变换器的输入端为主开关S₁和电感L₁₁，Buck/Boost变换器的输入端为主开关S₂和电感L₁₂，将Zeta变换器的输入端和Buck/Boost变换器的输入端进行并联，将Zeta变换器的(输出端)电容C₁和Buck/Boost变换器的(输出端)电容C₂进行串联，得到输入端并联输出端串联的Zeta-Buck/Boost变换器。

由于输入端并联输出端串联的Zeta-Buck/Boost变换器中的两个输入端之间是独立工作的，且主开关S₁的参数与主开关S₂的参数相同，电感L₁₁的参数与电感L₁₂的参数相同，为了进一步提升Zeta-Buck/Boost变换器的功率密度，在保证Zeta-Buck/Boost变换器性能不变的情况下，可将上述两个输入端进行合并，得到共享输入端的Zeta-Buck/Boost变换器，即为图1中的变换器。

需要说明的是，由于Buck/Boost变换器的输出电压与输入电压极性相反，Zeta变换器的输出电压与输入电压极性相同，为了保证Zeta-Buck/Boost变换器的电压增益是Buck/Boost变换器的电压增益和Zeta变换器的电压增益的加和，将第一电容C₁的一端(下端)设置为负极，将第二电容C₂的一端(上端)设置为正极。

Zeta-Buck/Boost变换器在使用过程中，相当于Zeta变换器和Buck/Boost变换器分别独立地工作，若Zeta变换器的电压增益为G₁，Buck/Boost变换器的电压增益为G₂，则组合式Zeta-Buck/Boost变换器的电压增益为(G₁+G₂)。

Zeta-Buck/Boost变换器在一个开关周期T内，其工作模态包括第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态，参见图4所示，图4为高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器的主要波形图，参见图5-7所示，图5-7分别为Zeta-Buck/Boost变换器的第一工作模态示意图、第二工作模态示意图、第三工作模态示意图。

第一工作模态[t₀～t₁]：在t₀时刻，开关管S开通，二极管D₁、D₂截止，输入电源 V_in通过开关管S给电感L₁储能，同时输入电源V_in、电容C₃、电容C₁串联通过开关管S给电感L₂进行储能同时给负载供电。

第二工作模态[t₁～t₂]：在t₁时刻，开关管S关断，同时二极管D₁导通，D₂截止，电感L₁通过二极管D₁给电容C₃充电，电感L₂通过二极管D₁给电容C₁充电同时向负载传递能量，电容C₂充依旧处于放电状态。

第三工作模态[t₂～t₃]：在t₂时刻，二极管D₁、D₂导通，开关管S依旧处于关断状态，电感L₁通过二极管D₁给电容C₃充电，同时电感L₁通过二极管D₂给电容C₁充电，电感L₂通过二极管D₁给电容C₁充电同时向负载传递能量。

Zeta-Buck/Boost变换器的性能参数主要包括：电压增益、开关管电压应力、二极管电压应力。

具体的，电压增益为：

开关管电压应力为

二极管电压应力为

其中，V_o为输出电阻R两端的电压。

本申请实施例提供的高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器，与Zeta变换器相比，或者，与Buck/Boost变换器相比，其电压增益增加一倍，同时，主开关S的电压应力减小一半。

进一步的，本申请实施例提供的高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器中，所述变换器还包括升压模块，所述升压模块对应有第一端口、第二端口以及第三端口，所述升压模块的第一端口与所述输入电源的负极相连，所述第二续流二极管的一端与所述第三电容的一端相连，包括：

所述第二续流二极管的一端与所述升压模块的第二端口相连，所述升压模块的第三端口与所述第三电容的一端相连。

本申请实施例中，升压模块用于对第二电容C₂两端的电压进行升压，升压模块对应的增压倍数为N具体的，Zeta-Buck/Boost变换器的电压增益等于(G₁+N×G₂)。

可选的，还可以将升压模块并联在第一电容C₁两端，以对第一电容C₁两端的电压进行升压，相应的，其电压增益等于(N×G₁+G₂)

进一步的，本申请实施例提供的高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器中，所述升压模块包括多个升压单元，每个所述升压单元对应有第一分端口、第二分端口以及第三分端口；

若所述多个升压单元为一个升压单元，则所述升压模块的第一端口与所述输入电源的负极相连，包括：所述升压单元的第一分端口与所述输入电源的负极相连；所述第二续流二极管的一端与所述第三电容的一端相连，包括：所述第二续流二极管的一端与所述升压单元的第二分端口相连，所述升压单元的第三分端口与所述第三电容的一端相连；

若所述多个升压单元为两个或两个以上升压单元，则所述升压模块的第一端口与所述输入电源的负极相连，包括：所述多个升压单元中的首个升压单元的第一分端口与所述输入电源的负极相连；所述第二续流二极管的一端与所述第三电容的一端相连，包括：所述多个升压单元中的尾个升压单元的第二分端口与所述第二续流二极管的一端相连，所述多个升压单元中的首个升压单元的第三分端口与所述第三电容的一端相连。

本申请实施例中，升压模块中包括多个升压单元，其中，上述多个升压单元的个数可以根据对Zeta-Buck/Boost变换器电压增益的实际要求进行设置。

具体的，若升压模块中包括n个升压单元，则Zeta-Buck/Boost变换器的电压增益为：

进一步的，本申请实施例提供的高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器中，每个所述升压单元包括第四电容C₄、第五电容C₅、第三续流二极管D₃以及第四续流二极管D₄，其中，所述第三续流二极管D₃的一端与所述第四电容C₄的一端相连，所述第四电容C₄的另一端与所述第四续流二极管D₄的一端相连，所述第四续流二极管D₄的另一端分别与所述第三续流二极管D₃的另一端、所述第五电容C₅的一端相连，所述第五电容C₅的另一端为所述升压单元的第一分端口，所述第四电容C₄的一端为所述升压单元的第三分端口，所述第四电容C₄的另一端为所述升压单元的第二分端口。

本申请实施例中，参见图8所示，DCM为一个升压单元，在每个升压单元中，第四电容C₄的一端为第四电容C₄的上端，第四电容C₄的另一端为第四电容C₄的下端，第五电容C₅的一端为第五电容C₅的下端，第五电容C₅的另一端为第五电容C₅的上端，第三续流二极管D₃的一端为第三续流二极管D₃的左端，第三续流二极管D₃的另一端为第三续流二极管 D₃的右端，第四续流二极管D₄的一端为第四续流二极管D₄的下端，第四续流二极管D₄的另一端为第四续流二极管D₄的上端。

进一步的，本申请实施例提供的高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器中，当所述多个升压单元为两个或两个以上升压单元时，针对所述多个升压单元中任意两个相邻的升压单元，前一个升压单元的第二分端口与后一个升压单元的第三分端口相连，后一个升压单元的第一分端口与前一个升压单元中的第五电容C₅的一端相连。

参见图8所示，图8为当升压模块为一个升压单元时，高增益组合式Zeta-Buck/Boost 变换器的结构示意图，为了方便在说明书中进行阐述，在后文中将包含一个升压单元的高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器成为第一变换器，参见图9所示，图9为第一变换器的主要波形图，参见图10-11所示，图10-11分别为第一变换器的第一工作模态示意图、第二工作模态示意图。

第一工作模态[t₀～t₁]：主开关管S驱动开通，二极管D₄正向导通，二极管D₁、D₂、 D₃反向截止。输入电源V_in给电感L₁储能，电感L₁的电流线性上升；输入电源V_in与电容C₃串联给电感L₂储能，电感L₂的电流线性上升；电容C₅与输出电源V_in串联给电容C₄充电。

第二工作模态[t₁～t₂]：主开关管S关断，二极管D₁、D₂、D₃正向导通二极管D₄反向截止。电感L₁同时给电容C₃和C₅充电，电容C₄与电感L₁串联给电容C₂充电，电感L₁的电流线性下降；电感L₂给电容C₁充电，电感L₂的电流线性下降。

根据电感的伏秒平衡原理，第一变换器的电压增益G为：

电容C₁～C₃以及电容C_o1、C_o2的电压应力分别为：

开关管S以及二极管D₁～D₄的电压应力均为：

本申请实施例提供的包含一个升压单元的高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器，与 Zeta变换器相比，或者，与Buck/Boost变换器相比，电压增益明显提升，并且，各个开关器件的电压应力仅为输出电压的

倍，具有较低的电压应力。

进一步的，参见图12所示，图12为当升压模块包括n个升压单元时，高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器的结构示意图，为了方便在说明书中进行阐述，在后文中将包含n个升压单元的高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器称为第二变换器。

通过将DCM结构中的电容C₂、C₃，续流二极管D₃、D₄进行叠加，不断并联DCM 结构，可使得变换器的电压增益不断提升。在图12中，当升压模块包括n个升压单元时，对应有，第一升压单元(DCM1)，第二升压单元(DCM2)，……，第n升压单元(DCMn)，具体的，第一升压单元包括电容C₂₁、C₃₁，以及续流二极管D₃₁、D₄₁，第二升压单元包括电容C₂₂、C₃₂，以及续流二极管D₃₂、D₄₂，……，第n升压单元包括电容C_2n、C_3n，以及续流二极管D_3n、D_4n。叠加n个DCM结构(n个升压单元)后，第二变换器的电压增益为：

开关管S以及各个二极管的电压应力均为：

本申请实施例提供的包含n个升压单元的高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器，上述变换器中每叠加一个DCM结构，该变换器的电压增益增加

根据不同高增益场合，变换器的增益可通过叠加DCM结构灵活拓展，并且，而各个开关器件的电压应力仅为输出电压的

倍，叠加DCM结构越多，电压应力越低，该变换器升压效率高。

Claims (6)

1.一种高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器，其特征在于，所述变换器包括输入电源、主开关、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第三电容、第一续流二极管、第二续流二极管以及输出电阻，所述输入电源的正极与所述主开关的一端相连，所述输入电源的负极分别与所述第一电感的一端、所述第一续流二极管的一端、所述第一电容的一端、所述第二电容的一端相连，所述第三电容的一端分别与所述主开关的另一端、所述第一电感的另一端相连，所述第三电容的另一端分别与所述第一续流二极管的另一端、所述第二电感的一端相连，所述第二电感的另一端与所述第一电容的另一端相连，所述第二续流二极管的一端与所述第三电容的一端相连，所述第二续流二极管的另一端与所述第二电容的另一端相连，所述输出电阻的一端与所述第一电容的另一端相连，所述输出电阻的另一端与所述第二电容的另一端相连。

2.根据权利要求1所述的高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器，其特征在于，所述变换器还包括升压模块，所述升压模块对应有第一端口、第二端口以及第三端口，所述升压模块的第一端口与所述输入电源的负极相连，所述第二续流二极管的一端与所述第三电容的一端相连，包括：

所述第二续流二极管的一端与所述升压模块的第二端口相连，所述升压模块的第三端口与所述第三电容的一端相连。

3.根据权利要求2所述的高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器，其特征在于，所述升压模块包括多个升压单元，每个所述升压单元对应有第一分端口、第二分端口以及第三分端口；

若所述多个升压单元为一个升压单元，则所述升压模块的第一端口与所述输入电源的负极相连，包括：所述升压单元的第一分端口与所述输入电源的负极相连；所述第二续流二极管的一端与所述第三电容的一端相连，包括：所述第二续流二极管的一端与所述升压单元的第二分端口相连，所述升压单元的第三分端口与所述第三电容的一端相连；

若所述多个升压单元为两个或两个以上升压单元，则所述升压模块的第一端口与所述输入电源的负极相连，包括：所述多个升压单元中的首个升压单元的第一分端口与所述输入电源的负极相连；所述第二续流二极管的一端与所述第三电容的一端相连，包括：所述多个升压单元中的尾个升压单元的第二分端口与所述第二续流二极管的一端相连，所述多个升压单元中的首个升压单元的第三分端口与所述第三电容的一端相连。

4.根据权利要求3所述的高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器，其特征在于，每个所述升压单元包括第四电容、第五电容、第三续流二极管以及第四续流二极管，其中，所述第三续流二极管的一端与所述第四电容的一端相连，所述第四电容的另一端与所述第四续流二极管的一端相连，所述第四续流二极管的另一端分别与所述第三续流二极管的另一端、所述第五电容的一端相连，所述第五电容的另一端为所述升压单元的第一分端口，所述第四电容的一端为所述升压单元的第三分端口，所述第四电容的另一端为所述升压单元的第二分端口。

5.根据权利要求4所述的高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器，其特征在于，当所述多个升压单元为两个或两个以上升压单元时，针对所述多个升压单元中任意两个相邻的升压单元，前一个升压单元的第二分端口与后一个升压单元的第三分端口相连，后一个升压单元的第一分端口与前一个升压单元中的第五电容的一端相连。

6.根据权利要求1所述的高增益组合式Zeta-Buck/Boost变换器，其特征在于，所述第一电容的一端为负极，所述第二电容的一端为正极。

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