CN216056809U - 一种单开关高增益耦合电感Boost变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于DC‑DC变换设备技术领域，涉及到一种单开关高增益耦合电感Boost变换器，包括电源、功率开关管、第一储能电容、第二储能电容、输出电容、第一二极管、第二二极管、三耦合绕组、输入电感和负载；其中三耦合绕组由第一耦合电感、第二耦合电感和第三耦合电感组成，第一耦合电感的同名端分别与第二耦合电感的异名端、第三耦合电感的同名端相连，另一端分别与输出电容的正极、负载的正极相连；第二耦合电感的同名端与第一二极管的负极相连；第三耦合电感的异名端与第一储能电容的正极相连；其整体设计合理、使用安全、操作简单，使用的器件较少、设计成本低，减少了器件损耗，提高了电路的工作效率，具有较大的应用潜力。

Description

一种单开关高增益耦合电感Boost变换器

技术领域：

本实用新型属于DC-DC变换设备技术领域，涉及到一种单开关高增益耦合电感Boost变换器。

背景技术：

目前，能源危机和环境污染问题的不断加剧，促进了清洁能源与绿色能源的快速发展。伴随着诸如太阳能等清洁能源发电趋势的迅猛发展，清洁能源发电得到越来越多的关注和应用。其中以光伏电池、燃料电池、风力发电等为甚。在实际的应用中，这些电能转换电路结构都必须具有效率高、升压增益高等特点，但是由于能源转换过程中单个模块的升压能力太低，无法得到较高的输出电压。

例如，光伏电源便是应用较为广泛的清洁能源之一，但是由于单块光伏板的输出电压较低(18-56V)，不能为后级的逆变并网装置提供足够的电压，解决方法之一就是将光伏板串并联使用，以提高电压等级和功率等级，但是这样会使系统的故障率提高，一块光伏板故障会导致整个系统无法正常运行。

所以研究如何利用一个独立的模块得到稳定的高增益输出电压，成为了一个亟待解决的问题。在现有的研究中，已经有传统的可以达到升压目的拓扑结构，例如Boost、Buck-Boost、Sepic等，他们结构简单且易于控制，但是需要电路会长时间工作在极限占空比的情况下，这是难以实现的，所还是无法达到较高、较理想的电压增益和较高的效率。随着研究的深入，出现了一些新型的拓扑结构，它们通过引入开关电感、耦合电感等单元模块或是变换器的级联来达到高电压增益的目的，但是依然存在一些不足之处，比如由于漏感的存在，会使器件承受较高的电压尖峰，还有就是由于器件数量的增加，会使得变换器本身的成本提高，体积增大、控制难度增大，效率偏低。因此，寻找一种在较低直通占空比下能够获得较高的升压增益且结构简单、工作效率高的DC-DC变换电路已经成为该领域的研究热点。

实用新型内容：

本实用新型的发明目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种单开关高电压增益耦合电感Boost变换器，实现高效率高电压增益，同时减少主开关器件的电压应力。

为了实现上述目的，本实用新型所述单开关高电压增益耦合电感Boost变换器包括电源、功率开关管、第一储能电容、第二储能电容、输出电容、第一二极管、第二二极管、三耦合绕组、输入电感和负载；其中三耦合绕组由第一耦合电感、第二耦合电感和第三耦合电感组成，第一耦合电感的同名端分别与第二耦合电感的异名端、第三耦合电感的同名端相连，另一端分别与输出电容的正极、负载的正极相连；第二耦合电感的同名端与第一二极管的负极相连；第三耦合电感的异名端与第一储能电容的正极相连；负载的负极分别与第二储能电容负极、输出电容负极和第二二极管的负极相连，正极分别与第一耦合电感的异名端和输出电容正极相连；输入电感的一端与电源的正极连接，另一端与第一二极管的正极、功率开关管的漏极、第二储能电容的正极连接；第一储能电容的负极分别与功率开关管的源极、电源的负极连接；第二储能电容的正极与功率开关管的漏极相连，第二储能电容的负极分别与第二二极管的正极和储能电容的负极连接。

本实用新型所述第一耦合电感、第二耦合电感和第三耦合电感的耦合绕组匝比为1:n₁:n₂，其中n₁＝N₂/N₁，n₂＝N₃/N₁。

本实用新型所述功率开关管采用N沟道的MOS管，功率开关管的栅极、源极均能接受外部主控芯片的控制信号，功率开关管的导通或截止利用单极性PWM方式进行控制，有效减少了开关损耗，提高电路结构的整体工作效率。

本实用新型通过控制功率开关管的导通或截止进行电路工作状态的切换，从而控制直流电源是否向三耦合绕组提供电路工作需要的能量，通过改变占空比的大小以及耦合绕组的匝比，实现输入输出电压增益的变化，而且耦合绕组具有相互耦合的电感，通过改变对应耦合绕组的匝比，即可实现输出电压对所述直流电源的升降压控制。

本实用新型在工作过程中，当功率开关管工作时，实现了耦合电感不断进行充、放电的过程，使其规律的储能、放能，从而达到高升压增益的目的；同时，由于三个耦合电感之间独特的连接方式，可以有效的降低主开关的电压应力，减少器件损耗，整个电路可以得到一个较高的输出效率，达到了理想的设计要求。

本实用新型所述单开关高电压增益耦合电感Boost变换器拥有连续的输入电流，减少了输入滤波电容的容量，给输入电流的采样和控制提供了便利；该电路自带的无源钳位电路能够将漏感的能量储存在输出电容中，在下个周期输出再利用，以此来提高变换器的整体性能，这样既保障了变换器中各器件的安全性，又实现了其整体的高效率和低成本；该电路具有非常高的电压增益，在合理的占空比时能够通过选择合适的耦合电感匝比实现变换器的高电压增益。

本实用新型与现有的DC-DC升压变换器电路拓扑结构相比，利用改进后的新型耦合电感单，通过调节耦合电感绕组的匝数比，避免了极限占空比的出现，实现了小占空比条件下获得高升压增益的理想目的，利用钳位吸收电路，减少了主开关器件的电压应力、降低了器件损耗、增加了电路结构的可靠性；其整体设计合理、使用安全、操作简单，使用的器件较少、设计成本低，减少了器件损耗，提高了电路的工作效率，具有较大的应用潜力。

附图说明：

图1为本实用新型的主体结构电路电路原理示意图。

图2为本实用新型所述变换器的功率开关管导通(a)和功率开关管关闭(b)电路示意图。

图3为本实用新型实施例所述变换器的电压增益B与占空比D的关系图。

具体实施方式：

为了更加具体的描述本实用新型，下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

实施例：

本实施例所述变换器的电路拓扑如图1所示，包括电源V_g、功率开关管S、第一储能电容C₁、第二储能电容C₂、输出电容C₃、第一二极管D₁、第二二极管D₂、三耦合绕组、输入电感L₁和负载R₀；其中三耦合绕组由第一耦合电感N₁、第二耦合电感N₂和第三耦合电感N₃组成，第一耦合电感N₁的同名端分别与第二耦合电感N₂的异名端、第三耦合电感N₃的同名端相连，另一端分别与输出电容C₃的正极、负载R₀的正极相连；第二耦合电感N₂的同名端与第一二极管D₁的负极相连；第三耦合电感N₃的异名端与第一储能电容C₁的正极相连；负载R₀的负极分别与第二储能电容C₂负极、输出电容C₃负极和第二二极管D₂的负极相连，正极分别与第一耦合电感N₁的异名端和输出电容C₃正极相连；输入电感L₁的一端与电源V_g的正极连接，另一端与第一二极管D₁的正极、功率开关管S的漏极、第二储能电容C₂的正极连接；第一储能电容C₁的负极分别与功率开关管S的源极、电源V_g的负极连接；第二储能电容C₂的正极与功率开关管S的漏极相连，储能电容C₂的负极分别与第二二极管D₂的正极和储能电容C₃的负极连接。

本实施例所述三耦合绕组等效为匝比N₁:N₂:N₃的理想变压器、漏感L_k与励磁电感L_m，耦合绕组匝比表示为1:n₁:n₂，其中n₁＝N₂/N₁，n₂＝N₃/N₁，第二储能电容C₂与第二二极管D₂组成无源钳位回路，用来吸收漏感能量，一般地，输入电流纹波(ΔI_in)约为输入电流平均值的20％。

本实施例为了简化分析，耦合电感上的漏感在稳态分析时被忽略，通过匝比系数k合理的设计原边匝数和两个副边的匝数，如果占空比D过小，增大匝比系数k导致耦合电感体积增大，此外，更大的磁芯导致更多的能量损失。因此，在给定电压增益的情况下，应该对耦合电感的匝数比进行优化，所采用的的变压器为理想变压器，各绕组间的匝数比为n₁＝N₂:N₁,n₂＝N₃:N₁，同时，功率器件的损耗也不被考虑，仅仅考虑C-CCM运行状态下的模态I和模态III模态，因为其它模态在一个周期内的时间间隔很短，模态I和模态III由图2所示。

模态I图2(a)所示：此时功率开关管S导通，第一二极管D₁、第二二极管D₂分别被第一储能电容C₁、第二储能电容C₂反向截止，电流回路如图2(a)所示。电源V_g上的能量通过功率开关管S转移到输入电感L₁上，因此，电流i_in线性增加；第一储能电容C₁、第二储能电容C₂通过功率开关管S放电，将能量传输给励磁电感L_m、漏感L_k和副边绕组N₃，同时输出电容C₃充电，根据电路此时的工作状态，可以得到在模态I下时电路中的电压关系为：

模态III图2(b)所示：功率开关管S关断，第一二极管D₁、第二二极管D₂正向导通，输入电感L₁通过第一二极管D₁、第二二极管D₂将能量释放到电容第一储能电容C₁、第二储能电容C₂上；功率开关管S两端的电压经过第二二极管D₂被钳位在第二储能电容C₂上；同时，励磁电感L_m、漏感L_k和副边绕组N₂、N₃将释放能量给C₁、C₂电容充电。因此，电感L₁上的电流i_in线性下降，根据电路此时的工作状态，可以得到在模态I下时电路中的电压关系为：

电路非直通状态和直通状态构成整个电路的整体工作过程，通过电路的变换可以得到理想的升压增益，根据电压增益计算原理，对电感和励磁电感使用电压伏秒平衡原理，下列等式可以被表示：

结合以上公式，可解得电容C₁、C₂、C₃上的电压为:

从而得到单开关高电压增益耦合电感Boost变换器的升压增益B：

假设

于是所提变换器在CCM下的增益可重新表示为:

电容的设计主要考虑其电压应力，及将电容C₁、C₂、C₃、C_o的电压波动控制在一定的范围内，一般要求电容电流纹波(ΔV_C)约为电容电流平均值的2％。

图3给出了所提变换器在①n₁＝2，n₂＝0.5，k＝6②n₁＝4，n₂＝0.5，k＝10和③n₁＝6，n₂＝0.5，k＝14三种情况下，变换器的电压增益和占空比的关系曲线图，从图中可以看到电压增益与耦合电感匝比系数k和占空比成正比例关系，通过曲线可以根据实际要求进行合理的设计，选择最好的匝比和占空比。

Claims (2)

1.一种单开关高增益耦合电感Boost变换器，其特征在于：包括电源、功率开关管、第一储能电容、第二储能电容、输出电容、第一二极管、第二二极管、三耦合绕组、输入电感和负载；其中三耦合绕组由第一耦合电感、第二耦合电感和第三耦合电感组成，第一耦合电感的同名端分别与第二耦合电感的异名端、第三耦合电感的同名端相连，另一端分别与输出电容的正极、负载的正极相连；第二耦合电感的同名端与第一二极管的负极相连；第三耦合电感的异名端与第一储能电容的正极相连；负载的负极分别与第二储能电容负极、输出电容负极和第二二极管的负极相连，正极分别与第一耦合电感的异名端和输出电容正极相连；输入电感的一端与电源的正极连接，另一端与第一二极管的正极、功率开关管的漏极、第二储能电容的正极连接；第一储能电容的负极分别与功率开关管的源极、电源的负极连接；第二储能电容的正极与功率开关管的漏极相连，第二储能电容的负极分别与第二二极管的正极和储能电容的负极连接。

2.根据权利要求1所述单开关高增益耦合电感Boost变换器，其特征在于：所述功率开关管采用N沟道的MOS管。

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