CN205336108U - 一种混合型z源变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种混合型Z源变换器。所述变换器具体包括直流输入电源<i>V_in</i>、第一二极管、第一电感、第一电容、第二二极管、第二电容、第二电感、第五电容、第六电容、第三电容、第三电感、第三二极管、第四电容、第四电感、开关管、第四二极管、输出电容和负载。本实用新型相比于Boost变换器、Z源直流变换器等具有较高的电压增益，适用于非隔离型高增益直流电压变换的场合。

Description

一种混合型Z源变换器

技术领域

本实用新型涉及DC/DC变换器领域，具体涉及一种混合型Z源变换器。

背景技术

近年来，由于化石能源的日益枯竭，世界各国都在大力开发新型可再生清洁能源，因此诸如太阳能光伏、燃料电池等可再生能源并网发电及其相关技术得到了迅猛发展。由于燃料电池和光伏电池的输出电压远低于并网逆变器所需的直流电压，因此需要具有较强升压能力的直流变换器将光伏电池和燃料电池的输出电压进行升高。有许多升压DC/DC变换器可以进行升压，但相当一部分受到占空比、生热和损耗的限制，无法实现大幅度的升压，如Boost变换器，其电压增益为1/(1-D)，D为占空比，但由于寄生参数的影响，其增益受到限制；又如Z源直流变换器，其电压增益为1/(1-2D)，较Boost变换器有了一定的提高，但仍有提升的空间，此外还存在启动冲击电流的问题。

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，提出一种混合型Z源变换器。

本实用新型电路中具体包括直流输入电源V_in、第一二极管、第一电感、第一电容、第二二极管、第二电容、第二电感、第五电容、第六电容、第三电容、第三电感、第三二极管、第四电容、第四电感、开关管、第四二极管、输出电容和负载。

本实用新型电路具体的连接方式为：所述的直流输入电源V_in的正极与第一二极管的阳极连接。所述的第一二极管的阴极与第一电感的一端、第一电容的一端和第五电容的一端连接。所述的第一电感的另外一端与第二二极管的阳极和第二电容的一端连接。所述的第二二极管的阴极与第一电容的另外一端和第二电感的一端连接。所述的第二电感的另外一端与第二电容的另外一端、第六电容的一端、开关管的漏极和第四二极管的阳极连接。所述的第六电容的另外一端与直流输入电源V_in的负极、第四电感的一端和第四电容的一端连接。所述的第四电感的另外一端与第三二极管的阴极和第三电容的一端连接。所述的第三二极管的阳极与第四电容的另外一端和第三电感的一端连接。所述的第三电感的另外一端与第三电容的另外一端、第五电容的另外一端、开关管的源极、输出电容的一端和负载的一端连接。所述的第四二极管的阴极与输出电容的另外一端和负载的另外一端连接。所述的输出电容与负载并联。

与现有技术相比，本实用新型电路具有的优势为：相比于传统的Boost变换器(其输出电压为)和Z源直流变换器(其输出电压为)等DC/DC变换器，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，输出电压为在相同的输入电压和输出电压条件下，本实用新型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，而且输入输出共地等，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为一种混合型Z源变换器结构图。

图2为一个开关周期主要元件的电压电流波形图。

图3a、图3b为一个开关周期内电路模态图。

图4为提出的电路、Boost和Z源直流变换器的增益V_out/V_in随占空比D变化的波形图。

具体实施方式

以下结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述说明，但本实用新型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。

本实施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。为了验证方便，电路结构中的器件均视为理想器件。开关管S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、第三电感L₃电流i_L3、第四电感L₄电流i_L4、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、第四电容C₄电压V_C4、第五电容C₅电压V_C5、第六电容C₆电压V_C6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，开关管S的驱动信号v_GS从低电平变为高电平，开关管S导通，第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃和第四二极管D₄承受反向电压截止。第五电容C₅与第二电容C₂通过开关管S同时给第一电感L₁充电，第五电容C₅与第一电容C₁通过开关管S同时给第二电感L₂充电，第六电容C₆与第三电容C₃通过开关管S同时给第四电感L₄充电，第六电容C₆与第四电容C₄通过开关管S同时给第三电感L₃充电。此外，输出电容C_out给负载供电。

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从高电平变为低电平，开关管S关断，第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃和第四二极管D₄承受正向电压导通。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和第二二极管D₂同时给第一电容C₁、第二电容C₂和第六电容C₆充电，直流输入电源V_in、第三电感L₃和第四电感L₄通过第一二极管D₁和第三二极管D₃同时给第三电容C₃、第四电容C₄和第五电容C₅充电。此外，直流输入电源V_in、第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃和第四电感L₄通过第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃和第四二极管D₄同时给输出电容C_out和负载供电。

本实施例电路的稳态增益推导如下：

由于第一电感L₁与第二电感L₂、第三电感L₃、第四电感L₄的电感值相等，第一电容C₁与第二电容C₂、第三电容C₃、第四电容C₄的电容值相等，则第一电感L₁与第二电感L₂、第三电感L₃、第四电感L₄的电压、电流相等，第一电容C₁与第二电容C₂、第三电容C₃、第四电容C₄的电压、电流相等。

由第一电感L₁与第二电感L₂、第三电感L₃、第四电感L₄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_in+3V_C1)t_on-V_C1t_off＝0(1)

V_C5＝V_in+2V_C1(2)

又当开关管(S)关断时，输出电压V_out满足下列关系式。

V_out＝V_C5+V_C6-V_in(3)

联立求解式(1)、(2)、(3)可得到输出电压V_out与直流输入电压V_in的关系。

$V_{out}=\frac{1}{1-4D}{V}_{in}---\left(4\right)$

传统Boost变换器与Z源直流变换器的稳态增益分别为1/(1-D)和1/(1-2D)(D为占空比)，本实用新型所提电路与Boost变换器、Z源直流变换器的稳态增益比较图如图4所示，从图4可知，当输入电压为10V时，本实用新型提出的电路只需占空比为0.225就可以升至100V左右，而另两种变换器则需要较大的占空比。

Claims (1)

1.一种混合型Z源变换器，其特征在于包括直流输入电源、第一二极管（D ₁）、第一电感（L ₁）、第一电容（C ₁）、第二二极管（D ₂）、第二电容（C ₂）、第二电感（L ₂）、第五电容（C ₅）、第六电容（C ₆）、第三电容（C ₃）、第三电感（L ₃）、第三二极管（D ₃）、第四电容（C ₄）、第四电感（L ₄）、开关管（S）、第四二极管（D ₄）、输出电容（C _out ）和负载；

所述直流输入电源的正极与第一二极管（D ₁）的阳极连接；所述第一二极管（D ₁）的阴极与第一电感（L ₁）的一端、第一电容（C ₁）的一端和第五电容（C ₅）的一端连接；所述第一电感（L ₁）的另外一端与第二二极管（D ₂）的阳极和第二电容（C ₂）的一端连接；所述第二二极管（D ₂）的阴极与第一电容（C ₁）的另外一端和第二电感（L ₂）的一端连接；所述第二电感（L ₂）的另外一端与第二电容（C ₂）的另外一端、第六电容（C ₆）的一端、开关管（S）的漏极和第四二极管（D ₄）的阳极连接；所述第六电容（C ₆）的另外一端与直流输入电源V _in 的负极、第四电感（L ₄）的一端和第四电容（C ₄）的一端连接；所述第四电感（L ₄）的另外一端与第三二极管（D ₃）的阴极和第三电容（C ₃）的一端连接；所述第三二极管（D ₃）的阳极与第四电容（C ₄）的另外一端和第三电感（L ₃）的一端连接；所述第三电感（L ₃）的另外一端与第三电容（C ₃）的另外一端、第五电容（C ₅）的另外一端、开关管（S）的源极、输出电容（C _out ）的一端和负载的一端连接；所述第四二极管（D ₄）的阴极与输出电容（C _out ）的另外一端和负载的另外一端连接；所述输出电容（C _out ）与负载并联。