本實(shí)用新型涉及電力電子電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種開關(guān)電容型高增益準(zhǔn)Z源DC-DC變換器電路。

背景技術(shù)：

在燃料電池發(fā)電、光伏發(fā)電中，由于單個(gè)太陽(yáng)能電池或者單個(gè)燃料電池提供的直流電壓較低，無(wú)法滿足現(xiàn)有用電設(shè)備的用電需求，也不能滿足并網(wǎng)的需求，往往需要將多個(gè)電池串聯(lián)起來(lái)達(dá)到所需的電壓。這種方法一方面大大降低了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，另一方面還需解決串聯(lián)均壓?jiǎn)栴}。為此，需要能夠把低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓的高增益DC-DC變換器。近幾年提出的Z源變換器是一種高增益DC-DC變換器，但該電路具有較高的阻抗網(wǎng)絡(luò)電容電壓應(yīng)力，且電路啟動(dòng)時(shí)存在很大啟動(dòng)沖擊電流問(wèn)題，限制了該電路在實(shí)際中的應(yīng)用。為了進(jìn)一步提高Z源變換器的輸出電壓，有必要通過(guò)拓?fù)涓倪M(jìn)拓展其輸出電壓增益。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種開關(guān)電容型高增益準(zhǔn)Z源DC-DC變換器電路，具體技術(shù)方案如下。

一種開關(guān)電容型高增益準(zhǔn)Z源DC-DC變換器電路，包括電壓源，由第一電容，第一二極管，第一電感，第二電感，第三電容構(gòu)成的二端準(zhǔn)Z源單元，由第二電容、第二二極管構(gòu)成的開關(guān)電容單元，一個(gè)MOS管，輸出二極管D_o，輸出濾波電容和負(fù)載。所述準(zhǔn)Z源單元由第一電感、第一二極管、第一電容、第二電感和第三電容構(gòu)成；所述開關(guān)電容單元由第二電容和第二二極管構(gòu)成。

上述的一種開關(guān)電容型高增益準(zhǔn)Z源DC-DC變換器電路中，所述電壓源的正極分別與第一電容的負(fù)極和第一電感的一端連接；所述第一電容的正極分別與第一二極管的陰極、第二電感的一端和輸出二極管的陽(yáng)極連接；所述第一二極管的陽(yáng)極分別與第三電容的負(fù)極和第一電感的另一端連接；所述第三電容的正極分別與第二電感的另一端、MOS管的漏極、第二電容的正極連接；所述第二電容的負(fù)極分別與第二二極管的陽(yáng)極、輸出濾波電容的負(fù)極和負(fù)載的一端連接；所述輸出二極管的陰極分別與輸出濾波電容的正極和負(fù)載的另一端連接；所述電壓源的負(fù)極分別與MOS管的源極、第二二極管的陰極連接。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型電路具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：本實(shí)用新型整個(gè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只用了一個(gè)MOS管，控制方便，輸出電壓增益更高；本實(shí)用新型電路結(jié)合利用了準(zhǔn)Z源單元的單級(jí)升降壓特性和開關(guān)電容并行充電串聯(lián)放電的特性，從而升高了輸出電壓，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)Z源DC-DC變換器輸出電壓增益的拓展。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型具體實(shí)施方式中的一種開關(guān)電容型高增益準(zhǔn)Z源DC-DC變換器電路。

圖2a、圖2b分別是圖1所示一種開關(guān)電容型高增益準(zhǔn)Z源DC-DC變換器電路在其MOS管S導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)段的等效電路圖。

圖3a為本實(shí)用新型電路的增益曲線與Boost變換器、開關(guān)電容Boost變換器、傳統(tǒng)Z源DC-DC變換器和新型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器的增益曲線比較圖。

圖3b為圖3a中本實(shí)用新型電路的增益曲線與Boost變換器、開關(guān)電容Boost變換器、傳統(tǒng)Z源DC-DC變換器和新型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器的增益曲線在占空比D小于0.5內(nèi)的比較圖。

具體實(shí)施方式

以上內(nèi)容已經(jīng)對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作了詳細(xì)說(shuō)明，以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施作進(jìn)一步描述。

參考圖1，本實(shí)用新型所述的一種開關(guān)電容型高增益準(zhǔn)Z源DC-DC變換器電路，包括電壓源，由第一電容，第一二極管，第一電感，第二電感，第三電容構(gòu)成的二端準(zhǔn)Z源單元，由第二電容、第二二極管構(gòu)成的開關(guān)電容單元，一個(gè)MOS管，輸出二極管D_o，輸出濾波電容和負(fù)載。所述準(zhǔn)Z源單元由第一電感、第一二極管、第一電容、第二電感和第三電容構(gòu)成；所述開關(guān)電容單元由第二電容和第二二極管構(gòu)成。當(dāng)MOS管S導(dǎo)通時(shí)，所述第一二極管D₁、第二二極管D₂均關(guān)斷，電壓源V_i和第一電容C₁對(duì)第二電感L₂充電；電壓源V_i與第三電容C₃和第一電感L₁充電；同時(shí)，電壓源V_i、第一電容C₁和第二電容C₂一起對(duì)輸出濾波電容C_f和負(fù)載R_L供電。當(dāng)MOS管S關(guān)斷時(shí)，所述第一二極管D₁、第二二極管D₂均導(dǎo)通，輸出二極管D_o關(guān)斷。所述第一電感L₁與第一電容C₁并聯(lián)，形成回路；所述第二電感L₂與第三電容C₃并聯(lián)，形成回路；所述電壓源V_i、第一電感L₁和第二電感L₂給第二電容C₂充電；同時(shí)，輸出濾波電容C_f給負(fù)載R_L供電。整個(gè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有較高的輸出電壓增益。

本實(shí)用新型電路的具體連接方式如下：所述電壓源的正極分別與第一電容的負(fù)極和第一電感的一端連接；所述第一電容的正極分別與第一二極管的陰極、第二電感的一端和輸出二極管的陽(yáng)極連接；所述第一二極管的陽(yáng)極分別與第三電容的負(fù)極和第一電感的另一端連接；所述第三電容的正極分別與第二電感的另一端、MOS管的漏極、第二電容的正極連接；所述第二電容的負(fù)極分別與第二二極管的陽(yáng)極、輸出濾波電容的負(fù)極和負(fù)載的一端連接；所述輸出二極管的陰極分別與輸出濾波電容的正極和負(fù)載的另一端連接；所述電壓源的負(fù)極分別與MOS管的源極、第二二極管的陰極連接。

圖2a、圖2b給出了本實(shí)用新型電路的工作過(guò)程圖。圖2a、圖2b分別對(duì)應(yīng)的是MOS管S導(dǎo)通和同時(shí)關(guān)斷時(shí)段的等效電路圖。圖中實(shí)線表示變換器中有電流流過(guò)的部分，虛線表示變換器中無(wú)電流流過(guò)的部分。

本實(shí)用新型的工作過(guò)程如下：

階段1，如圖2a：MOS管S導(dǎo)通，此時(shí)第一二極管D₁、第二二極管D₂、均關(guān)斷。電路形成了三個(gè)回路，分別是：電壓源V_i與第一電容C₁和第二電容C₂一起給輸出濾波電容C_f和負(fù)載R_L充電，形成回路；電壓源V_i與第一電容C₁對(duì)第二電感L₂進(jìn)行充電，形成回路；電壓源V_i與第三電容C₃對(duì)第一電感L₁進(jìn)行充電，形成回路。

階段2，如圖2b：MOS管S關(guān)斷，此時(shí)第一二極管D₁、第二二極管D₂均導(dǎo)通，輸出二極管D_o關(guān)斷。電路形成了四個(gè)回路，分別是：電壓源V_i、第一電感L₁和第二電感L₂給第二電容C₂充電，形成回路；第一電感L₁對(duì)第一電容C₁充電，形成回路；第二電感L₂對(duì)第三電容C3充電，形成回路；輸出濾波電容C_f給負(fù)載R_L供電，形成回路。

綜上情況，設(shè)MOS管S的占空比均為D，開關(guān)周期為T_s。并設(shè)定V_L1和V_L2分別為電感L₁和L₂兩端的電壓，V_C1、V_C2和V_C3分別為第一電容C₁、第二電容C₂和第三電容C₃的電壓，V_S為MOS管S漏極與源極之間的電壓。在一個(gè)開關(guān)周期T_s內(nèi)，令輸出電壓為V_o。當(dāng)變換器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作后，得出以下的電壓關(guān)系推導(dǎo)過(guò)程。

工作模態(tài)1：MOS管S導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)的等效電路圖2a所示，因此有如下公式：

V_L1＝V_i+V_C3 (1)

V_L2＝V_i+V_C1 (2)

V_O＝V_i+V_C1+V_C2 (3)

V_S＝0 (4)

MOS管S的導(dǎo)通時(shí)間為DT_s。

工作模態(tài)2：MOS管S關(guān)斷，對(duì)應(yīng)的等效電路如圖2b所示，因此有如下公式：

V_L1＝-V_C1 (5)

V_L2＝-V_C3 (6)

V_i＝V_C2-V_C3-V_C1 (7)

V_S＝V_C2 (8)

MOS管S的關(guān)斷時(shí)間為(1-D)T_s。

根據(jù)以上分析，對(duì)第一電感L₁和第二電感L₂分別運(yùn)用電感伏秒數(shù)守恒原理，聯(lián)立式(1)、式(2)、式(5)、式(6)可得：

D(V_i+V_C3)-(1-D)V_C1＝0 (9)

D(V_i+V_C1)-(1-D)V_C3＝0 (10)

由式(7)、式(9)和式(11)可以得到第一電容C₁的電壓V_C1、第二電容C₂的電壓V_C2和第三電容C₃的電壓V_C3與電壓源V_i之間的關(guān)系式為：

$V_{C1}=V_{C3}=\frac{D}{1-2D}{V}_i---\left(11\right)$

$V_{C2}=\frac{1}{1-2D}{V}_i---\left(12\right)$

則由式(3)、式(11)和式(12)，可得本實(shí)用新型電路的增益因子表達(dá)式為：

$G=\frac{V_o}{V_i}=\frac{2-D}{1-2D}---\left(13\right)$

如圖3a所示為本實(shí)用新型電路的增益曲線與Boost變換器、開關(guān)電容Boost變換器、傳統(tǒng)Z源DC-DC變換器和新型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器的增益曲線比較圖；圖3b為圖3a中本實(shí)用新型電路增益曲線與基本升壓電路的增益曲線在占空比D小于0.5內(nèi)的比較圖，圖中包括本實(shí)用新型電路的增益曲線，新型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器的增益曲線，傳統(tǒng)Z源DC-DC變換器的增益曲線，開關(guān)電容Boost變換器的增益曲線，和Boost變換器的增益曲線。由圖可知，本實(shí)用新型電路在占空比D不超過(guò)0.5的情況下，增益G就可以達(dá)到很大，且本實(shí)用新型電路的占空比D不會(huì)超過(guò)0.5。因此，相比之下，本實(shí)用新型電路的增益是非常高的。

綜上所述，本實(shí)用新型電路整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只是用了一個(gè)MOS管，控制方便，結(jié)合了準(zhǔn)Z源單元單級(jí)升降壓特性和開關(guān)電容并行充電串聯(lián)放電的特性，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓增益的進(jìn)一步提升，且不存在啟動(dòng)沖擊電流和MOS管開通瞬間的沖擊電流。

上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。