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CN107104596A - 一种低电压应力的高增益准开关升压dc/dc变换器 - Google Patents

一种低电压应力的高增益准开关升压dc/dc变换器 Download PDF

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CN107104596A
CN107104596A CN201710371907.2A CN201710371907A CN107104596A CN 107104596 A CN107104596 A CN 107104596A CN 201710371907 A CN201710371907 A CN 201710371907A CN 107104596 A CN107104596 A CN 107104596A
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CN
China
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diode
capacitor
voltage
gain
switch tube
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CN201710371907.2A
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Inventor
张波
金林
丘东元
郑泰山
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South China University of Technology SCUT
Original Assignee
South China University of Technology SCUT
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/02—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC
    • H02M3/04—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/10—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

本发明提供一种低电压应力的高增益准开关升压DC/DC变换器，包括第一二极管、第一开关管、直流输入电源、电感、第二二极管、电容、第三二极管、第二开关管、输出电容和负载。所述的第一二极管的阴极与直流输入电源的负极和第一开关管的源极连接。所述的直流输入电源的正极与第三二极管的阳极和电感的一端连接。所述的电感的另一端与第二二极管的阳极和第二开关管的漏极连接。所述的第二二极管的阴极与第一开关管的漏极和电容的一端连接。所述电容的另一端与第一二极管的阳极、第二开关管的源极、输出电容的一端和负载的一端连接。本发明结构简单，具有较高的稳态增益，适用于非隔离型高增益直流电压变换场合。

Description

一种低电压应力的高增益准开关升压DC/DC变换器
技术领域
本发明涉及DC/DC变换器领域，具体涉及一种低电压应力的高增益准开关升压DC/DC变换器。
背景技术
随着能源效率越来越受到重视，新能源发电取得了长足的发展，然而像太阳能，风能和燃料电池等清洁能源发电的输出直流电压一般较低，无法直接用于逆变并网或某些高电压等级的负载供电。因此，需要高增益的DC/DC变换器来将低输出电压进行抬升。而传统的Boost变换器因为结构简单常被用于升压电路，但要实现高增益，其开关管的占空比往往较大，这不利于系统的能源转换效率的提高，而Z源/准Z源DC/DC变换器的提出，确实将输入输出电压增益提高了不少，不过其中的Z源和准Z源网络含有两个电感和电容使得电路的体积较大，不利于系统的小型化和轻量化。而近年所提出的准开关升压网络，仅含有一个电感和一个电容，就可以实现和传统Z源网络的相同的升压能力，而将准开关升压网络用于DC-DC电路中，对其进行适当的改造，不仅可以使其升压能力得到进一步的提升，并且开关设备的电压应力也能进一步降低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种低电压应力的高增益准开关升压DC/DC变换器，具体技术方案。
一种低电压应力的高增益准开关升压DC/DC变换器，包括第一二极管、第一开关管、直流输入电源、电感、第二二极管、电容、第三二极管、第二开关管、输出电容和负载；所述第一二极管的阴极与直流输入电源的负极和第一开关管的源极连接；所述直流输入电源的正极与第三二极管的阳极和电感的一端连接；所述电感的另一端与第二二极管的阳极和第二开关管的漏极连接；所述第二二极管的阴极与第一开关管的漏极和电容的一端连接；所述电容的另一端与第一二极管的阳极、第二开关管的源极、输出电容的一端和负载的一端连接；所述输出电容的另一端和第三二极管的阴极和负载的另一端连接。该变换器稳态输出时的电压增益G为：
其中Vo表示变换器负载侧的输出电压，Vi为输入直流电压源，D为占空比。
与现有技术相比本发明具有如下优点：相比于传统的Z源、准Z源DC/DC变换器，少了一组电感电容元件，多了一个开关管和二极管，元器件数量总数相同，相对体积更小；另外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。即相同的输入电压和输出电压条件下，本发明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，而且结构简单，两个开关管同步动作，控制方便，开关管和二极管的电压应力小，工作效率高，因此本发明电路具有很广泛的应用前景。
附图说明
图1是一种低电压应力的高增益准开关升压DC/DC变换器电路图。
图2是一个开关周期主要元件的电压电流波形图。
图3a、图3b是图1所示电路分别在第一开关管和第二开关管同时导通、第一开关管和第二开关管同时关断时，在一个开关周期内电路模态图。
图4是本发明实例中所述变换器与Z源DC/DC变换器和Boost变换器的电压增益Vo/Vi随占空比D变化的比较图。
图5是本发明电路在D＝0.4时稳态工作的相关变量的MATLAB/simulink仿真波形图。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述说明，但本发明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。为了分析方便，电路结构中的器件均视为理想器件。一种低电压应力的高增益准开关升压DC/DC变换器，其包括第一二极管D1、第一开关管S1、直流输入电源Vin、电感L、第二二极管D2、电容C、第三二极管D3、第二开关管S2、输出电容Co和负载RL。
本实例中设定第一、第二开关管的驱动信号为Vg、输入电压为Vi、输出电压为Vo、电容电压为VC、电感电流为iL、第一、第二二极管电流为iD1、iD2、第三二极管电压为VD3。设定第一、第二开关管导通时的占空比为D，设定输出电压增益为G，设定开关周期为Ts。波形图如图2所示。
一种低电压应力的高增益准开关升压DC/DC变换器，在一个开关周期(t0～t2)内不同阶段的2个工作模态，分别描述如下：
工作模态1(t0～t1)：如图3a所示，第一、第二开关管同步动作，其驱动电压Vg从低电平变为高电平，第一、第二二开关管同时导通，第一、第二二极管承受反向电压截止，第三二极管承受正向电压导通，直流输入电源和电容通过第一、第二开关管给电感充电，同时通过第三二极管向输出电容和负载供电。
工作模态2(t0～t1)：如图3b所示，第一、第二开关管同步动作，其驱动电压Vg从高电平变为低电平，第一、第二开关管同时关断，第一、第二二极管承受正向电压导通，第三二极管承受反向电压截止，直流输入电源和电感通过第一、第二二极管给电容充电，同时通过第三二极管向输出电容和负载供电。
根据以上分析，运用伏秒平衡原理，即电感电压在一个开关周期内的平均值为零，因此得到式(1)，由式(1)得到输入电压Vi与电容电压VC关系式(2)。在开关管导通的区间，输出电压Vo等于输入电压Vi和电容电压VC之和，所以根据关系式(2)可以进一步得到输出电压Vo和输入电压Vin的关系式为式(3)。
(VC+Vi)D+(Vi-VC)(1-D)＝0 (1)
则本发明所述的一种低电压应力的高增益准开关升压DC/DC变换器稳态输出时的电压增益G为：
Boost变换器和Z源DC/DC变换器的稳态增益分别为1/(1-D)和(1-D)/(1-2D)(D为占空比)，本实例电路与Boost变换器和Z源DC/DC变换器的稳态增益比较图如图4所示，由图可知，本发明电路在占空比D不等于或大于0.5的情况下，输出电压增益G就可以达到很大，明显高于其他两种变换器的电压增益，而且本发明实例仅含有一个电感和电容，体积相对较小，结构简单。另外由于本发明实例的开关管同步动作，只需要一路驱动就可以控制。
以Vi＝10V，占空比D＝0.4为例，给出了本发明电路中相关变量的仿真结果如图5所示。D＝0.4时，对应的输出电压增益G＝6，电容电压VC＝50V，输出电压Vo＝60V，开关管电压应力VS1＝VS2＝50V，二极管电压应力VD1＝VD2＝VD3＝50V。
综上所述，本发明提出的一种低电压应力的高增益准开关升压DC/DC变换器，结构简单，控制简单，具有较高的稳态增益，开关设备的电压增益都低于输出电压，适用于非隔离型高增益直流电压变换场合。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何为背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种低电压应力的高增益准开关升压DC/DC变换器，其特征在于包括第一二极管(D1)、第一开关管(S1)、直流输入电源(Vin)、电感(L)、第二二极管(D2)、电容(C)、第三二极管(D3)、第二开关管(S2)、输出电容(Co)和负载(RL)；所述第一二极管(D1)的阴极与直流输入电源(Vin)的负极和第一开关管(S1)的源极连接；所述直流输入电源(Vin)的正极与第三二极管(D3)的阳极和电感(L)的一端连接；所述电感(L)的另一端与第二二极管(D2)的阳极和第二开关管(S2)的漏极连接；所述第二二极管(D2)的阴极与第一开关管(S1)的漏极和电容(C)的一端连接；所述电容(C)的另一端与第一二极管(D1)的阳极、第二开关管(S2)的源极、输出电容(Co)的一端和负载(RL)的一端连接；所述输出电容(Co)的另一端和第三二极管(D3)的阴极和负载(RL)的另一端连接。
2.根据权利1要求所述的一种低电压应力的高增益准开关升压DC/DC变换器，其主要特征在于当第一开关管、第二二开关管同时导通，第一二极管、第二二极管承受反向电压截止，第三二极管承受正向电压导通，直流输入电源和电容通过第一开关管、第二开关管给电感充电，同时通过第三二极管向输出电容和负载供电；当第一开关管、第二开关管同时关断，第一二极管、第二二极管承受正向电压导通，第三二极管承受反向电压截止，直流输入电源和电感通过第一二极管、第二二极管给电容充电，同时通过第三二极管向输出电容和负载供电。
3.根据权利1要求所述的一种低电压应力的高增益准开关升压DC/DC变换器，其特征在于稳态输出时的电压增益G为：
其中Vo表示变换器负载侧的输出电压，Vi为输入直流电压源，D为占空比。
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