本發(fā)明涉及耦合電感混合舉升壓變換器。屬于高增益比的升壓直流變換器。

背景技術(shù)：

隨著能源緊缺與環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，可再生能源的需求日益凸顯，世界上越來(lái)越多的人期待可再生能源在日常生活中的使用與發(fā)展。像光伏發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)等已經(jīng)廣泛的運(yùn)用于當(dāng)今的生產(chǎn)活動(dòng)中了，然而，常規(guī)的BOOST變換器的由于寄生參數(shù)的影響，它的占空比不能太高，因此BOOST變換器的電壓增益能力較低，開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力較大，功率損耗嚴(yán)重，因此，BOOST變換器在高效率的情況下不可能提供足夠高的電壓增益比來(lái)增高電壓以滿足并網(wǎng)的需要。為此，相繼出現(xiàn)了級(jí)聯(lián)型BOOST變換器等，但是實(shí)現(xiàn)較高的增壓比時(shí)，級(jí)聯(lián)產(chǎn)生的器件數(shù)量增加，效率不高的問(wèn)題突出，電路變得復(fù)雜。耦合電感技術(shù)的出現(xiàn)改善了變換器增益提升的能力，但是由于漏感引起的電壓尖峰從而大大降低變換器的效率也是十分嚴(yán)重的。所以，研究新型高增益變換器有著迫切是實(shí)際需求和重要的理論意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明提出了一種融合耦合電感技術(shù)與自舉技術(shù)的耦合電感混合舉升壓變換器，解決了傳統(tǒng)變換器升壓能力弱、效率低的問(wèn)題，既可以滿足需要傳統(tǒng)變換器的場(chǎng)合，更勝任可再生能源供電系統(tǒng)。

技術(shù)方案：

耦合電感混合舉升壓變換器，包括混合舉耦合電感網(wǎng)絡(luò)、無(wú)源無(wú)損鉗位電路、濾波電容C_o、整流二極管D_o以及電阻負(fù)載R；

所述混合舉耦合電感網(wǎng)絡(luò)包括輸入電源V_in、第一自舉電路以及第二自舉電路；所述第一自舉電路包括耦合電感原邊繞組L_P、耦合電感副邊繞組L_S、第一整流二極管D₁以及第一升壓電容C₁；所述第二自舉電路包括耦合電感副邊繞組L_S、第三整流二極管D₃、開(kāi)關(guān)管S以及第一升壓電容C₁、第二升壓電容C₂、第三升壓電容C₃；

所述第一升壓電容C₁、第三升壓電容C₃與第二整流二極管D₂構(gòu)成無(wú)源無(wú)損鉗位電路；

所述輸入電源V_in的正極與耦合電感原邊繞組L_P的第一端、第一整流二極管D₁的陽(yáng)極同時(shí)相連，原邊繞組L_P的第二端與開(kāi)關(guān)管S的漏極、第一升壓電容C₁的負(fù)極同時(shí)相連，耦合電感的副邊繞組L_S的第一端與第一升壓電容C₁的正極、第二整流鉗位二極管D₂的陽(yáng)極同時(shí)相連，耦合電感副邊繞組L_S的第二端與第一整流二極管D₁的陰極、第二升壓電容C₂的負(fù)極同時(shí)相連；第三整流二極管D₃的陽(yáng)極與第二整流二極管D₂的陰極、第三升壓電容C₃的正極同時(shí)相連，第三整流二極管D₃的陰極與第二升壓電容C₂的正極、輸出二極管D_o的陽(yáng)極同時(shí)相連，第三升壓電容C₃的負(fù)極與濾波電容C_o的負(fù)極、電阻負(fù)載R的負(fù)極同時(shí)連接，輸出二極管D_o的陰極與濾波電容C_o的正極、電阻負(fù)載R的正極同時(shí)連接。電容的正負(fù)極位圖1中標(biāo)號(hào)方向，二極管的正負(fù)極位二極管電壓應(yīng)力方向。

所述開(kāi)關(guān)管S為MOS管或者IGBT。

所述耦合電感混合舉升壓變換器的工作按工作模態(tài)運(yùn)行。

有益效果：本發(fā)明的耦合電感混合舉升壓變換器中耦合電感的副邊繞組L_S在兩個(gè)自舉電路中均使用，另外，在給第二升壓電容C₂、第三升壓電容C₃充電時(shí)均使用了第一個(gè)自舉電路中的第一升壓電容C₁，因此在器件數(shù)盡可能少的情況下耦合電感混合舉升壓變換器的電壓增益得到盡可能的提高，同時(shí)由第一升壓電容C₁、第三升壓電容C₃以及第二整流二極管D₂,即鉗位二極管構(gòu)成的無(wú)源無(wú)損鉗位電路有效的降低了開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力，有效的吸收了耦合電感漏感的能量，另外由于第一升壓電容C₁的存在提高了第三升壓電容C₃的電壓，使得輸出二極管D_o的電壓應(yīng)力可以有效降低。

從圖16中可以發(fā)現(xiàn)，變換器的開(kāi)關(guān)管兩端的電壓波形不存在過(guò)大的電壓尖峰，同時(shí)從圖17中可以發(fā)現(xiàn)，輸出二極管的電壓應(yīng)力很低。

附圖說(shuō)明

圖1為具體實(shí)施方式一所述的耦合電感混合舉升壓變換器的原理圖。

圖2為耦合電感混合舉升壓變換器的等效電路圖。

圖3為耦合電感混合舉升壓變換器的模態(tài)圖，圖3中，i_LM為耦合電感原邊繞組的勵(lì)磁電流，i_LK為耦合電感原邊繞組的漏感電流，為耦合電感副邊繞組的電流，i_Do為輸出二極管D_o的電流，i_DS為流過(guò)開(kāi)關(guān)管S的電流，i_in為輸入電源的電流，i_D1為第一整流二極管D₁的電流，i_D2為第二整流二極管D₂的電流，i_D3為第三整流二極管D₃的電流，i_C1為第一升壓電容C₁的電流，i_C2為第二升壓電容C₂的電流，i_C3為第三升壓電容C₃的電流，為耦合電感原邊繞組的電壓，為耦合電感副邊繞組的電壓。

圖4為耦合電感混合舉升壓變換器第一種開(kāi)關(guān)模態(tài)的等效圖。

圖5為耦合電感混合舉升壓變換器第二種開(kāi)關(guān)模態(tài)的等效圖。

圖6為耦合電感混合舉升壓變換器第三種開(kāi)關(guān)模態(tài)的等效圖。

圖7為耦合電感混合舉升壓變換器第四種開(kāi)關(guān)模態(tài)的等效圖。

圖8為耦合電感混合舉升壓變換器第五種開(kāi)關(guān)模態(tài)的等效圖。

圖9為耦合電感混合舉升壓變換器第六種開(kāi)關(guān)模態(tài)的等效圖。

圖10為耦合電感混合舉升壓變換器第七種開(kāi)關(guān)模態(tài)的等效圖。

圖11為耦合電感混合舉升壓變換器第八種開(kāi)關(guān)模態(tài)的等效圖。

圖12為輸入電壓V_in＝40V，輸出電壓V_o＝380V，開(kāi)關(guān)管的漏源兩端的電壓差V_GS的縱坐標(biāo)為20伏/單元格，第三整流二極管D₃的電流i_D3的縱坐標(biāo)為2.5安/單元格，輸出二極管D_o的電流i_Do的縱坐標(biāo)為2安/單元格，單位為10毫秒/單元格的實(shí)驗(yàn)波形。

圖13為輸入電壓V_in＝40V，輸出電壓V_o＝380V，開(kāi)關(guān)管的漏源兩端的電壓差V_GS的縱坐標(biāo)為20伏/單元格，開(kāi)關(guān)管的柵源兩端的電流i_S的縱坐標(biāo)為20安/單元格，電容C₃的電流i_C3的縱坐標(biāo)為10安/單元格，單位為10毫秒/單元格的實(shí)驗(yàn)波形。

圖14為輸入電壓V_in＝40V，輸出電壓V_o＝380V，開(kāi)關(guān)管的漏源兩端的電壓差V_GS的縱坐標(biāo)為20伏/單元格，第二升壓電容C₂的電流i_C2的縱坐標(biāo)為10安/單元格，第一升壓電容C₁的電流i_C1的縱坐標(biāo)為20安/單元格，單位為10毫秒/單元格的實(shí)驗(yàn)波形。

圖15為輸入電壓V_in＝40V，輸出電壓V_o＝380V，開(kāi)關(guān)管的漏源兩端的電壓差V_GS的縱坐標(biāo)為20伏/單元格，第一整流二極管D₁的電流i_D1的縱坐標(biāo)為5安/單元格，第二整流二極管D₂的電流i_D2的縱坐標(biāo)為30安/單元格，單位為10毫秒/單元格的實(shí)驗(yàn)波形。

圖16為輸入電壓V_in＝40V，輸出電壓V_o＝380V，開(kāi)關(guān)管的漏源兩端的電壓差V_GS的縱坐標(biāo)為20伏/單元格，開(kāi)關(guān)管的柵源兩端的電壓V_DS的縱坐標(biāo)為50伏/單元格，輸入電源的電流i_in的縱坐標(biāo)為30安/單元格，輸入電源的電壓V_in的縱坐標(biāo)為50伏/單元格，單位為10毫秒/單元格的實(shí)驗(yàn)波形。

圖17為輸入電壓V_in＝40V，輸出電壓V_o＝380V，開(kāi)關(guān)管的漏源兩端的電壓差V_GS的縱坐標(biāo)為20伏/單元格，輸出二極管D_o的電壓V_Do的縱坐標(biāo)為50伏/單元格，單位為10毫秒/單元格的實(shí)驗(yàn)波形。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

具體實(shí)施方式一：參照?qǐng)D1具體說(shuō)明實(shí)施本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的耦合電感混合舉升壓變換器，包含兩個(gè)自舉電路、一個(gè)無(wú)源無(wú)損鉗位電路、一個(gè)開(kāi)關(guān)管、一個(gè)濾波電容C_o、一個(gè)整流輸出二極管D_o以及一個(gè)電阻負(fù)載R，

所述的兩個(gè)自舉電路中的一個(gè)包括耦合電感原邊L_P、耦合電感的副邊繞組L_S、第一整流二極管D₁以及第一升壓電容C₁，另一個(gè)自舉電路包括耦合電感的副邊繞組L_S、第三整流二極管D₃、開(kāi)關(guān)管S以及第一升壓電容C₁、第二升壓電容C₂、第三升壓電容C₃，

無(wú)源無(wú)損鉗位電路包括第一升壓電容C₁、第三升壓電容C₃以及第二整流二極管D₂，

所述輸入電源V_in的正極與耦合電感原邊繞組L_P的第一端、第一整流二極管D₁的陽(yáng)極同時(shí)相連，原邊繞組L_P的第二端與開(kāi)關(guān)管S的漏極、第一升壓電容C₁的負(fù)極相連，耦合電感的副邊繞組L_S的第一端與第一升壓電容C₁的正極、第二整流二極管D₂的陽(yáng)極同時(shí)相連，耦合電感副邊繞組L_S的第二端與第一整流二極管D₁的陰極、第二升壓電容C₂的負(fù)極同時(shí)相連；第三整流二極管D₃的陽(yáng)極與第二整流二極管D₂的陰極、第三電容C₃的正極同時(shí)相連，第三整流二極管D₃的陰極與第二升壓電容C₂的正極、輸出二極管D_o的陽(yáng)極同時(shí)相連。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式一所述的耦合電感混合舉升壓變換器做進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，開(kāi)關(guān)管S為MOS管或者IGBT。

具體實(shí)施方式三：參照?qǐng)D2至圖11具體說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式一所述的耦合電感混合舉升壓變換器做進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，變換器的工作按工作模態(tài)運(yùn)行。

本發(fā)明的工作原理及工作過(guò)程如下：

本發(fā)明耦合電感混合舉升壓變換器耦合電感的等效電路為勵(lì)磁電感L_M、漏電感原邊理想變壓器N_P、副邊理想變壓器N_S、副邊漏電感等效電路圖如圖2。

本發(fā)明耦合電感混合舉升壓變換器耦合電感原邊繞組的勵(lì)磁電流為i_LM，耦合電感原邊繞組的漏感電流為i_LK，耦合電感副邊繞組的電流為輸出二極管D_o的電流為i_Do，流過(guò)開(kāi)關(guān)管S的電流為i_DS，輸入電源的電流為i_in，第一整流二極管D₁的電流為i_D1，第二整流二極管D₂的電流為i_D2，第三整流二極管D₃的電流為i_D3，第一升壓電容C₁的電流為i_C1，第二升壓電容C₂的電流為i_C2，第三升壓電容C₃的電流為i_C3，耦合電感原邊繞組的電壓為耦合電感副邊繞組的電壓為波形如圖3所示，其工作過(guò)程分為8個(gè)開(kāi)關(guān)模態(tài)，分別為第一種開(kāi)關(guān)模態(tài)至第八種開(kāi)關(guān)模態(tài)，電阻R為負(fù)載，具體描述如下：

第一種開(kāi)關(guān)模態(tài)，對(duì)應(yīng)圖3中的[t₀,t₁]：等效電路圖4所示，在t₀時(shí)刻開(kāi)通開(kāi)關(guān)管S，耦合電感原邊繞組L_P充電，耦合電感副邊繞組L₂通過(guò)輸出二極管D_o與第一升壓電容C₁、第二升壓電容C₂一起續(xù)流，輸出電容C_o給負(fù)載R供電。

第二種開(kāi)關(guān)模態(tài)，對(duì)應(yīng)圖3中的[t₁,t₂]：等效電路圖5所示，在t₁時(shí)刻輸出二極管D_o關(guān)斷，第三整流二極管D₃導(dǎo)通，耦合電感原邊繞組L_P繼續(xù)充電，耦合電感副邊繞組L₂儲(chǔ)存能量，第三升壓電容C₃放電，第一升壓電容C₁、第三升壓電容C₂充電，輸出電容C_o給負(fù)載R供電。

第三種開(kāi)關(guān)模態(tài)，對(duì)應(yīng)圖3中的[t₂,t₃]：等效電路圖6所示，在t₂時(shí)刻第一整流二極管D₁導(dǎo)通，耦合電感原邊繞組L_P繼續(xù)充電，耦合電感副邊繞組L₂繼續(xù)儲(chǔ)存能量，第三升壓電容C₃放電，第一升壓電容C₁、第二升壓電容C₂繼續(xù)充電，輸出電容C_o給負(fù)載R供電。

第四種開(kāi)關(guān)模態(tài)，對(duì)應(yīng)圖3中的[t₃,t₄]：等效電路圖7所示，在t₃第三整流二極管D₃關(guān)斷，耦合電感原邊繞組L_P繼續(xù)充電，耦合電感副邊繞組L₂繼續(xù)儲(chǔ)存能量，第一升壓電容C₁繼續(xù)充電，輸出電容C_o給負(fù)載R供電。

第五種開(kāi)關(guān)模態(tài)，對(duì)應(yīng)圖3中的[t₄,t₅]：等效電路圖8所示，在t₄時(shí)刻開(kāi)關(guān)管S關(guān)斷，開(kāi)關(guān)管寄生電容開(kāi)始充電，第一升壓電容C₁繼續(xù)充電，輸出電容C_o給負(fù)載R供電。

第六種開(kāi)關(guān)模態(tài)，對(duì)應(yīng)圖3中的[t₅,t₆]：等效電路圖9所示，在t₅時(shí)刻第二整流二極管D₂導(dǎo)通，第三升壓電容C₃開(kāi)始充電，第一升壓電容C₁開(kāi)始放電，輸出電容C_o給負(fù)載R供電。

第七種開(kāi)關(guān)模態(tài)，對(duì)應(yīng)圖3中的[t₆,t₇]：等效電路圖10所示，在t₆時(shí)刻輸出二極管D_o導(dǎo)通，第一整流二極管D₁關(guān)斷，第三升壓電容C₃繼續(xù)充電，第一升壓電容C₁與第二升壓電容C₂放電，輸入電源給輸出電容C_o和負(fù)載R供電。

第八種開(kāi)關(guān)模態(tài)，對(duì)應(yīng)圖3中的[t₇,t₈]：等效電路圖11所示，在t₇時(shí)刻二極管D₂關(guān)斷，第一升壓電容C₁與第二升壓電容C₂放電，輸入電源給輸出電容C_o和負(fù)載R供電。

由上述分析可得增益表達(dá)式為：

其中D為開(kāi)關(guān)管S的占空比，N為耦合電感的副邊與原邊的匝數(shù)比。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。