本發(fā)明涉及電力電子變換器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用開關(guān)電感和開關(guān)電容的準(zhǔn)開關(guān)升壓DC-DC變換器。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，高增益DC-DC升壓變換器在一些工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的需求和應(yīng)用。例如，在不間斷直流電源(UPS)的后備電源中，需要將48V蓄電池電壓升高到380V甚至更高；電動(dòng)汽車用的高強(qiáng)度氣體放電前照燈等需要將12V電壓升高到100V穩(wěn)定值；在新能源發(fā)電領(lǐng)域中，太陽(yáng)能光伏電池板(33～43V)，燃料電池堆棧(22～48V)等輸出電壓都很低，需要通過一級(jí)高增益DC-DC變換器進(jìn)行升壓后與并網(wǎng)逆變器的輸入電壓(380V、760V)匹配進(jìn)而并網(wǎng)發(fā)電。為此研究和開發(fā)能夠把低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓的高增益DC-DC變換器變得越來越重要。在這其中最常用的是傳統(tǒng)的Boost變換器，但是當(dāng)要求輸出電壓增益很高時(shí)，就會(huì)使開關(guān)管的工作占空比接近于1，從而會(huì)導(dǎo)致過大的開關(guān)損耗，降低系統(tǒng)的整體效率。而近幾年提出的Z源升壓DC-DC變換器，雖然利用Z源網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了升壓，但是其電壓增益仍有很大的提升空間，此外它還存在輸入輸出不共地、開關(guān)電壓應(yīng)力高等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種采用開關(guān)電感和開關(guān)電容的準(zhǔn)開關(guān)升壓DC-DC變換器。

本發(fā)明電路中具體包括輸入直流電壓源、開關(guān)電感單元、開關(guān)升壓?jiǎn)卧?、開關(guān)電容單元、第二MOS管，第六二極管，第四電容和負(fù)載電阻；其中開關(guān)電感單元由第一電感、第二電感、第一二極管、第二二極管和第三二極管構(gòu)成；開關(guān)升壓?jiǎn)卧傻谝浑娙?、第四二極管、第五二極管和第一MOS管組成；開關(guān)電容單元由第二電容、第三電容、第七二極管和第八二極管構(gòu)成。

本發(fā)明電路的具體連接方式為：所述輸入直流電壓源的一端與第一電感的一端和第一二極管的陽(yáng)極連接；所述第一電感的另一端分別與第二二極管的陽(yáng)極和第三二極管的陽(yáng)極連接；所述第一二極管的陰極分別與第二二極管的陰極和第二電感的一端連接；所述第二電感的另一端分別與第三二極管的陰極、第一MOS管的漏極和第四二極管的陽(yáng)極連接；所述第四二極管的陰極分別與第一電容的正極、第二電容的負(fù)極、第二MOS管的漏極和第六二極管的陽(yáng)極連接；所述第一電容的負(fù)極分別與第一MOS管的源極和第五二極管的陽(yáng)極連接；所述第六二極管的陰極分別與第七二極管的陽(yáng)極、第三電容的負(fù)極和第四電容的正極連接；所述第七二極管的陰極分別與第八二極管的陽(yáng)極和第二電容的正極連接；所述第八二極管的陰極分別與第三電容的正極和負(fù)載電阻的一端連接；所述負(fù)載電阻的另一端分別與第四電容的負(fù)極、第二MOS管的源極、第五二極管的陰極和直流輸入電源的負(fù)極連接。

該變換器穩(wěn)態(tài)輸出時(shí)的電壓增益G為：

其中V_o表示變換器負(fù)載側(cè)的輸出電壓，V_i為輸入直流電壓源的輸入電壓，D為占空比。

與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便；且相比于傳統(tǒng)的準(zhǔn)Z源變換器(其輸出電壓增益為G＝1/(1-2D))和開關(guān)電感Z源升壓變換器(其對(duì)應(yīng)的輸出電壓增益為G＝(1+D)/(1-3D))，在相同的輸入電壓和占空比的情況下，具有更高的輸出電壓增益為G＝2(1+D)/(1-3D)，且電源電流連續(xù)，輸入與輸出之間共地，不存在電路啟動(dòng)沖擊電流等，因此本發(fā)明電路具有很廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)例中所述的一種采用開關(guān)電感和開關(guān)電容的準(zhǔn)開關(guān)升壓DC-DC變換器的電路圖；

圖2a、圖2b是圖1所示電路分別在第一MOS管和第二MOS管同時(shí)導(dǎo)通、第一MOS管和第二MOS管同時(shí)關(guān)斷時(shí)，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的主要工作模態(tài)圖。

圖3a是本發(fā)明實(shí)例中所述變換器與開關(guān)電感Z源變換器和傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源變換器的輸出電壓增益對(duì)比曲線圖。

圖3b是以V_in＝10V，占空比D＝0.2為例，給出的本發(fā)明實(shí)例電路中相關(guān)變量的仿真結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。需指出的是，以下若有未特別詳細(xì)說明之過程或參數(shù)，均是本領(lǐng)域技術(shù)人員可參照現(xiàn)有技術(shù)理解或?qū)崿F(xiàn)的。

本實(shí)施例的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。為了驗(yàn)證方便，未特別說明的情況下電路結(jié)構(gòu)中的器件均視為理想器件。一種采用開關(guān)電感和開關(guān)電容的準(zhǔn)開關(guān)升壓DC-DC變換器，其包括輸入直流電壓源V_in、開關(guān)電感單元、開關(guān)升壓?jiǎn)卧?、開關(guān)電容單元、第二MOS管S₂，第六二極管D₆，第四電容C₄和負(fù)載電阻R_L；其中開關(guān)電感單元由第一電感L₁、第二電感L₂、第一二極管D₁、第二二極管D₂和第三二極管D₃構(gòu)成；開關(guān)升壓?jiǎn)卧傻谝浑娙軨₁、第四二極管D₄、第五二極管D₅和第一MOS管S₁組成；開關(guān)電容單元由第二電容C₂、第三電容C₃、第七二極管D₇和第八二極管D₈構(gòu)成。

本實(shí)施例中設(shè)定第一MOS管S₁和第二MOS管S₂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為V_GS1、V_GS2。第一電感L₁電流為i_L1、第二電感L₂電流為i_L2、第一電容C₁電壓為V_C1、第二電容C₂電壓為V_C2、第三電容C₃電壓為V_C3、第四電容C₄電壓為V_C4。并設(shè)定占空比為D，設(shè)定開關(guān)周期為T_s。

如圖2a和圖2b所示，圖中實(shí)線表示變換器中有電流流過的部分，虛線表示變換器中沒有電流流過的部分。本實(shí)例采用開關(guān)電感和開關(guān)電容的準(zhǔn)開關(guān)升壓DC-DC變換器在一個(gè)開關(guān)周期(0,T_s)內(nèi)，主要有兩個(gè)不同階段的工作模態(tài)，分別描述如下：

工作模態(tài)1(0<t<DT_s)：如圖2a所示，第一MOS管S₁和第二MOS管S₂同時(shí)開通，第二二極管D₂、第四二極管D₄、第五二極管D₅、第六二極管D₆和第八二極管D₈反向截止，第一二極管D₁、第三二極管D₃和第七二極管D₇正向?qū)?。則此時(shí)輸入直流電壓源V_in和第一電容C₁一起給并聯(lián)的第一電感L₁和第二電感L₂充電，第四電容C4通過二極管D₇和第二MOS管S₂給第二電容C2充電，同時(shí)第三電容C₃和第四電容C₄串聯(lián)一起向負(fù)載電阻R_L供電。

此工作模態(tài)下，相關(guān)電氣參數(shù)關(guān)系式為：

V_{L1_on}＝V_{L2_on}＝V_in+V_C1 (1)

V_C2＝V_C4 (2)

V_o＝V_C3+V_C4 (3)

其中，V_L1-on，V_{L2_on}表示第一MOS管S₁和第二MOS管S₂同時(shí)導(dǎo)通期間第一電感L₁和第二電感L₂兩端的電壓，V_o表示變換器負(fù)載側(cè)的輸出電壓。

工作模態(tài)2(DT_s<t<T_s)：如圖2b所示，第一MOS管S₁和第二MOS管S₂同時(shí)關(guān)斷，則第二二極管D₂、第四二極管D₄、第五二極管D₅、第六二極管D₆和第八二極管D₈導(dǎo)通，第一二極管D₁、第三二極管D₃和第七二極管D₇關(guān)斷。則此時(shí)輸入直流電壓源V_in與第一電感L₁和第二電感L₂串聯(lián)一起向第一電容C₁和第四電容C₄充電，第二電容C₂給第三電容C₃充電。同時(shí)，輸入直流電壓源V_in與第一電感L₁、第二電感L₂和第二電容C₂串聯(lián)一起向負(fù)載電阻R_L供電。此工作模態(tài)下，相關(guān)電氣參數(shù)關(guān)系式為：

V_L1-off+V_L2-off＝V_in-V_C1 (4)

V_C1＝V_C4 (5)

V_C2＝V_C3 (6)

V_o＝V_C2+V_C1 (7)

其中，V_L1-off，V_L2-off表示第一MOS管S₁和第二MOS管S₂同時(shí)關(guān)斷時(shí)第一電感L₁和第二電感L₂兩端的電壓。

根據(jù)以上分析，對(duì)第一電感L₁和第二電感L₂運(yùn)用伏秒平衡原理，即電感電壓在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值為零，聯(lián)立式(1)和(4)可得

則聯(lián)立式(2)、(3)、(5)、(6)、(7)和(8)可求得穩(wěn)態(tài)時(shí)電容電壓和輸出電壓的表達(dá)式分別為：

則本發(fā)明實(shí)例所述的一種采用開關(guān)電感和開關(guān)電容的準(zhǔn)開關(guān)升壓DC-DC變換器穩(wěn)態(tài)輸出時(shí)的電壓增益G為：

如圖3a所示為本發(fā)明實(shí)例電路的輸出電壓增益曲線與開關(guān)電感Z源變換器和傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源變換器的電壓增益曲線比較圖。由圖可知，本發(fā)明實(shí)例電路在占空比D不超過0.33的情況下，輸出電壓增益G就可以達(dá)到很大，明顯高于其他兩種變換器的電壓增益，且本發(fā)明實(shí)例電路的占空比D不會(huì)超過0.33。

圖3b是以V_in＝10V，占空比D＝0.2為例給出的本發(fā)明實(shí)例電路中相關(guān)變量的仿真結(jié)果圖。D＝0.2時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出電壓增益G＝6，第一、第二、第三、第四電容電壓(V_C1、V_C2、V_C3、V_C4)＝30V，輸出電壓V_o＝60V。此外，圖3b中還給出了第一、第二電感電流(i_L1、i_L2)的波形以及第一MOS管S₁和第二MOS管S₂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(V_GS、V_GS2)的波形。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)例提出的一種采用開關(guān)電感和開關(guān)電容的準(zhǔn)開關(guān)升壓DC-DC變換器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便；相比于傳統(tǒng)的準(zhǔn)Z源變換器和開關(guān)電感Z源變換器，在相同的輸入電壓和占空比的情況下，具有更高的輸出電壓增益，且電源電流連續(xù)，輸入與輸出之間共地，在電路啟動(dòng)瞬間不存在啟動(dòng)沖擊電流，因此本發(fā)明電路具有很廣泛的應(yīng)用前景。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(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發(fā)明的精神實(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，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。