本發(fā)明涉及電力電子功率變換技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種非隔離型低輸入電流紋波高效高增益dc_dc變換器。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，能源短缺成為人類(lèi)面臨的首要問(wèn)題。以太陽(yáng)能為代表的新能源近年來(lái)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。在兩級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，由于單塊太陽(yáng)能電池電壓較低(一般20v-50v)，考慮電網(wǎng)電壓正常波動(dòng)時(shí)需將電壓升至400v左右，因此高增益dc_dc變換器是新能源利用中不可或缺的組成部分。此外高增益dc_dc變換器還廣泛應(yīng)用在諸如燃料電池、ups電源、x光機(jī)以及新能源汽車(chē)行業(yè)等眾多領(lǐng)域。由此可見(jiàn)，研究高效率高增益的dc_dc變換器具有重要意義。

傳統(tǒng)dc/dc變換器采用boost升壓電路，理論上當(dāng)占空比為1時(shí)可以得到無(wú)窮大的電壓增益，但考慮電路寄生參數(shù)影響，傳統(tǒng)boost變換器增益曲線會(huì)有一個(gè)極限并不能獲得任意高的增益。同時(shí)極限占空比的出現(xiàn)會(huì)惡化電路的性能，極短的關(guān)斷時(shí)間使得電流峰值變大增加了開(kāi)關(guān)損耗和電磁干擾，同時(shí)開(kāi)關(guān)管和二極管的電壓應(yīng)力增加，反向恢復(fù)時(shí)間增加，降低了電路的變換效率。因此傳統(tǒng)boost變換器并不適合增益過(guò)高的應(yīng)用場(chǎng)合。為在合理的占空比條件下獲得滿(mǎn)意的dc_dc變換性能，隔離型dc_dc變換器可通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器變比方便的調(diào)整變換器的增益，但是變壓器過(guò)高的變比在影響變壓器線性度的同時(shí)還會(huì)增加漏感，漏感處理不當(dāng)會(huì)增加變換器的開(kāi)關(guān)應(yīng)力降低變換效率，且高頻變壓器在設(shè)計(jì)和制作也較為復(fù)雜。也有的利用開(kāi)關(guān)電容的方法來(lái)增大變換器增益，其原理是利用電感電流不能突變給電容充電，之后電容串聯(lián)向負(fù)載放電。這類(lèi)變換器不包括高頻變壓器，設(shè)計(jì)和控制都較為簡(jiǎn)單，且能利用開(kāi)關(guān)電容單元級(jí)聯(lián)方便的增加變換器的增益。但這類(lèi)變換器由于包含眾多電感電容，開(kāi)關(guān)模態(tài)復(fù)雜，電路啟動(dòng)時(shí)由于要給電容充電導(dǎo)致啟動(dòng)沖擊較大，此外電源輸入功率要經(jīng)過(guò)多次能量轉(zhuǎn)換才能到達(dá)負(fù)載測(cè),在一定程度上也降低了變換器的效率。除此之外，變換器輸入電流波動(dòng)對(duì)于像光伏電池、燃料電池這樣的新能源轉(zhuǎn)換效率影響較大，如何實(shí)現(xiàn)變換器低輸入電流波動(dòng)也是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)減小輸入電流的方法是加大輸入濾波電感，但這無(wú)疑會(huì)降低變換其功率密度和效率。交錯(cuò)控制利用兩個(gè)電感一個(gè)充電一個(gè)放電的特點(diǎn)來(lái)減小輸入電流的波動(dòng)，但只能在特定占空比情況下才能取得較好效果，且電路增益有限。因此，針對(duì)新能源發(fā)電所需dc/dc變換器的研究仍有待進(jìn)一步深化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種非隔離型低輸入電流紋波高效高增益dc_dc變換器，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的由于電路寄生參數(shù)引起的高增益導(dǎo)致效率降低與傳統(tǒng)dc_dc變換器輸入電流波動(dòng)較大的問(wèn)題。

一種非隔離型低輸入電流紋波高效高增益dc_dc變換器，包括：直流電壓源uin、濾波電感l(wèi)i、儲(chǔ)能電感l(wèi)、濾波電容ci、高頻變壓器、功率開(kāi)關(guān)管s1、續(xù)流二極管dc1、電容co1、功率開(kāi)關(guān)管s2、續(xù)流二極管dc2、電容c1、二極管d1、二極管d2和電容co2組成；

所述直流電源uin正極與所述濾波電感l(wèi)i的一端連接；

所述濾波電感l(wèi)i的另一端、所述儲(chǔ)能電感l(wèi)的一端與所述濾波電容ci的一端同時(shí)連接；

所述儲(chǔ)能電感l(wèi)的另一端與所述高頻變壓器原邊np1的同名端和原邊np2異名端同時(shí)連接；

所述高頻變壓器原邊的np1異名端、所述續(xù)流二極管dc1的陽(yáng)極與所述功率開(kāi)關(guān)管s1的輸入端同時(shí)連接；

所述高頻變壓器原邊的np2同名端、所述續(xù)流二極管dc2的陽(yáng)極與所述功率開(kāi)關(guān)管s2的輸入端同時(shí)連接；

所述高頻變壓器副邊ns的異名端與所述電容c1的一端連接；

所述電容c1的另一端、所述二極管d1的陰極與所述二極管d2的陽(yáng)極同時(shí)連接；

所述二極管d2的陰極與所述電容co2的一端連接；

所述高頻變壓器副邊ns的同名端、所述二極管d1的陽(yáng)極、所述電容co2的另一端、所述濾波電容ci的另一端、所述續(xù)流二極管dc1的陰極、所述續(xù)流二極管dc2的陰極與所述電容co1的一端同時(shí)連接；

所述直流電源uin的負(fù)極、所述功率開(kāi)關(guān)管s1的輸出端、所述功率開(kāi)關(guān)管s2的輸出端與所述電容co1的另一端同時(shí)連接。

所述功率開(kāi)關(guān)管均為mos管或igbt管。

所述高頻變壓器為兩原邊一副邊的升壓變壓器。

本發(fā)明提供的一種非隔離型低輸入電流紋波高效高增益dc_dc變換器通過(guò)交錯(cuò)控制方式以及合理的設(shè)置濾波電容來(lái)減小輸入電流的脈動(dòng)，通過(guò)高頻升壓變壓器及副邊開(kāi)關(guān)電容升壓電路兩者的配合以極大提高dc_dc變換器的增益。

本發(fā)明提供的一種非隔離型低輸入電流紋波高效高增益dc_dc變換器的有益效果在于，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，低輸入電流紋波可以極大的減小電路電感量，提高變換器功率密度和變換效率；可以方便的改變?cè)鲆嫣匦砸赃m應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合。變換器啟動(dòng)平穩(wěn)，沖擊較小，且功率器件開(kāi)關(guān)應(yīng)力較低可以選取低耐壓、低導(dǎo)通損耗的功率器件以提高變換器效率。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地闡述本發(fā)明的工作原理和工作模式，現(xiàn)對(duì)其各個(gè)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通、截止組合，對(duì)其拓?fù)渲兄饕骷母鞣N電壓電流信號(hào)，對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中各種工作模態(tài)下的等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)做附圖介紹。本發(fā)明實(shí)施例用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。

圖1是本發(fā)明的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖2是實(shí)施例工作在開(kāi)關(guān)模態(tài)1下時(shí)的等效電路圖。

圖3是實(shí)施例工作在開(kāi)關(guān)模態(tài)2下時(shí)的等效電路圖。

圖4是實(shí)施例工作在開(kāi)關(guān)模態(tài)3下時(shí)的等效電路圖。

圖5是實(shí)施例工作在開(kāi)關(guān)模態(tài)4下時(shí)的等效電路圖。

圖6是實(shí)施例工作在開(kāi)關(guān)模態(tài)5下時(shí)的等效電路圖。

圖7是實(shí)施例工作在開(kāi)關(guān)模態(tài)6下時(shí)的等效電路圖。

圖8是實(shí)施例中電子元器件上流的電流、加載的電壓的波形信號(hào)圖。

圖9至圖16為具體實(shí)施方式中各參數(shù)實(shí)驗(yàn)波形圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、工作原理和優(yōu)點(diǎn)更加清楚和明白，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不限定本發(fā)明。

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種非隔離型低輸入電流紋波高效高增益dc_dc變換器，請(qǐng)參閱圖1，其包括：直流電壓源、濾波電感、儲(chǔ)能電感、濾波電容、高頻變壓器、兩個(gè)并聯(lián)boost電路和一個(gè)開(kāi)關(guān)電容倍壓電路。所述boost電路1由所述高頻變壓器原邊np1與功率開(kāi)關(guān)管s1、續(xù)流二極管dc1和電容co1組成，所述boost電路2由所述高頻變壓器原邊np2與功率開(kāi)關(guān)管s2、續(xù)流二極管dc2和電容co1組成，所述開(kāi)關(guān)倍壓電路由所述高頻變壓器副邊ns、電容c1、二極管d1、二極管d2和電容co2組成。

本實(shí)施方式的工作原理及工作過(guò)程如下。

本實(shí)施方式的非隔離型低輸入電流紋波高效高增益dc_dc變換器功率開(kāi)關(guān)管s1驅(qū)動(dòng)信號(hào)g1、功率開(kāi)關(guān)管s2驅(qū)動(dòng)信號(hào)g2、儲(chǔ)能電感電壓ul、儲(chǔ)能電感電流il、濾波電容電流ic、濾波電容電壓uc、高頻變壓器原邊np1電壓up1、高頻變壓器原邊np1電流i1、高頻變壓器原邊np2電流i2、功率開(kāi)關(guān)管s1兩端電壓uds1、功率開(kāi)關(guān)管s1電流is1、功率開(kāi)關(guān)管s2兩端電壓、功率開(kāi)關(guān)管s2電流is2、續(xù)流二極管d1電流id1、續(xù)流二極管d2電流id2、高頻變壓器副邊ns電流is的波形如圖8所示，其工作過(guò)程分為6個(gè)開(kāi)關(guān)模態(tài)，分別為開(kāi)關(guān)模態(tài)1至開(kāi)關(guān)模態(tài)6，具體描述如下。

開(kāi)關(guān)模態(tài)1，對(duì)應(yīng)圖8中的[t0-t1]：等效電路如圖2所示，t0時(shí)刻功率開(kāi)關(guān)管s1、s2同時(shí)開(kāi)通，儲(chǔ)能電感電壓ul等于電源輸入電壓uin，電流il線性上升，變壓器原邊繞組的電流i1、i2也線性上升，大小相等且為流過(guò)儲(chǔ)能電感電流il的一半。由于變壓器原邊繞組同名端接法相反，在大小相等的繞組電流i1、i2的作用下繞組產(chǎn)生的電壓相互抵消為零，副邊電壓也為零，所有二極管截止，電容co1、co2串聯(lián)向負(fù)載供電。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管s1關(guān)斷時(shí)此模態(tài)結(jié)束。

開(kāi)關(guān)模態(tài)2，對(duì)應(yīng)圖8中的[t1-t2]：等效電路如圖3所示，t1時(shí)刻功率開(kāi)關(guān)管s1關(guān)斷，電流向功率開(kāi)關(guān)管s1寄生電容cs1充電，s1兩端電壓uds1快速上升，變壓器原副邊電壓up1、us上升，當(dāng)副邊電壓上升到大于uo2/2時(shí)，二極管d2導(dǎo)通，副邊電壓被鉗位在uo2/2，原邊電壓up1也隨之被鉗位在uo2/(2n)上(n為高頻變壓器的變比)，變壓器開(kāi)始傳遞能量，二極管d2電流從零開(kāi)始上升。電流i1繼續(xù)給電容cs1充電使uds1繼續(xù)上升，當(dāng)uds1上升到大于電容co1電壓uo1時(shí)，續(xù)流二極管dc1導(dǎo)通，電流i1通過(guò)續(xù)流二極管dc1向電容co1充電，并開(kāi)始線性下降。s1兩端電壓被鉗位在uo1上，儲(chǔ)能電感電壓ul等于電源輸入電壓uin與高頻變壓器原邊np1電壓之差，電流i1線性下降，電流i2和副邊電流is隨著電流i1的下降而上升，當(dāng)i1下降為零時(shí)此模態(tài)結(jié)束。

開(kāi)關(guān)模態(tài)3，對(duì)應(yīng)圖8中[t2-t3]：等效電路如圖4所示，t2時(shí)刻電流i1下降為零，續(xù)流二極管dc1關(guān)斷，忽略漏感時(shí)儲(chǔ)能電感電壓ul不變。電流i2和副邊電流is開(kāi)始下降。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管s1重新開(kāi)通時(shí)此模態(tài)結(jié)束。

開(kāi)關(guān)模態(tài)4，對(duì)應(yīng)圖8中[t3-t4]：等效電路如圖5所示，t3時(shí)刻功率開(kāi)關(guān)管s1重新開(kāi)通，電流i1快速上升，i2快速下降。當(dāng)i1、i2相等為電流il的一半時(shí)又回到t0時(shí)刻的狀態(tài)，當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管s2關(guān)斷時(shí)此模態(tài)結(jié)束。

開(kāi)關(guān)模態(tài)5，對(duì)應(yīng)圖8中[t4-t5]：等效電路如圖6所示，t4時(shí)刻功率開(kāi)關(guān)管s2關(guān)斷，電流i2向功率開(kāi)關(guān)管s2寄生電容充電，s2兩端電壓uds2快速上升，變壓器原副邊電壓up2、us的絕對(duì)值上升，當(dāng)副邊電壓us絕對(duì)值上升到大于uo2/2時(shí)，二極管d1導(dǎo)通，副邊電壓us被鉗位在-uo2/2時(shí)，原邊電壓up2也隨之被鉗位在uo2/(2n)上，變壓器開(kāi)始傳遞能量，二極管d1電流從零開(kāi)始上升。電流i2繼續(xù)給電容cs2充電使uds2繼續(xù)上升，當(dāng)uds2上升到大于電容co1電壓uo1時(shí)，續(xù)流二極管dc2導(dǎo)通，電流i2通過(guò)續(xù)流二極管dc2向電容co1充電，并開(kāi)始線性下降。電壓uds2被鉗位在uo1上，儲(chǔ)能電感ul兩端電壓等于電源輸入電壓uin與高頻變壓器原邊np2電壓之差，電流i2線性下降。電流i1和副邊電流is隨著電流i2的下降而上升，當(dāng)i2下降為零時(shí)此模態(tài)結(jié)束。

開(kāi)關(guān)模態(tài)6，對(duì)應(yīng)圖8中[t5-t6]：等效電路如圖7所示，t5時(shí)刻電流i2下降為零，續(xù)流二極管dc2關(guān)斷，忽略漏感時(shí)儲(chǔ)能電感電壓ul不變。電流i2和副邊電流is開(kāi)始下降。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管s2重新開(kāi)通時(shí)此模態(tài)結(jié)束。

由上述分析可得增益表達(dá)式為：

其中，d為功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通占空比，n為所述高頻變壓器原副邊繞組的匝數(shù)比。

下面通過(guò)具體實(shí)施例的數(shù)據(jù)說(shuō)明采用本實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)的有益結(jié)果。

實(shí)施例樣機(jī)的主要參數(shù)如表1所示：

表1實(shí)施例樣機(jī)主要參數(shù)

如圖9至圖15所示，功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通占空比d為0.7，輸入電壓uin=20v，輸出電壓uo=200v，圖中g(shù)1、g2分別為功率開(kāi)關(guān)管與的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，uds1、uds2分別為功率開(kāi)關(guān)管s1與s2的漏源電壓，up1、up2分別為變壓器兩原邊電壓，ul、il分別為儲(chǔ)能電感電壓及電流，uds1、is1分別為功率開(kāi)關(guān)管s1漏源電壓及電流，udc1、idc1分別為續(xù)流二極管電壓及電流，i1為流過(guò)變壓器原邊繞組np1的電流，iin為輸入電流，uc、ic分別為濾波電容電壓及電流，us為變壓器副邊電壓，ud1、ud2分別為二極管d1及二極管d2兩端的電壓。從圖9至圖15可以看出，實(shí)驗(yàn)波形圖的變化特點(diǎn)和理論分析一致，且電流輸入紋波很小。

本發(fā)明提供的dc-dc變換器，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，合理設(shè)置濾波電容實(shí)現(xiàn)低輸入電流紋波，同時(shí)可以極大的減小電路電感量，提高變換器功率密度和變換效率。電路結(jié)構(gòu)靈活，可以方便的改變?cè)鲆嫣匦砸赃m應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合。變換器啟動(dòng)平穩(wěn)，沖擊較小，且功率器件開(kāi)關(guān)應(yīng)力較低可以選取低耐壓、低導(dǎo)通損耗的功率器件以提高變換器效率。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。