一種基于耦合電感和電壓轉(zhuǎn)移技術(shù)的高增益升壓變換器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于耦合電感和電壓轉(zhuǎn)移技術(shù)的高增益升壓變換器，包括依次連接的不對(duì)稱交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路、電壓轉(zhuǎn)移單元電路、倍壓單元電路及輸出單元電路；所述不對(duì)稱交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路包括第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第一二極管、第一耦合電感的原邊繞組、第二耦合電感的原邊繞組；所述電壓轉(zhuǎn)移單元電路包括第一電容，第四電容和第二二極管；所述倍壓單元電路包括第一耦合電感的副邊繞組、第二耦合電感的副邊繞組、第二電容、第三二極管；所述輸出單元電路包括第四二極管、第三電容和負(fù)載。本實(shí)用新型降低了變換器工作時(shí)的開關(guān)損耗，有利于提高變換器的功率等級(jí)。
【專利說明】一種基于耦合電感和電壓轉(zhuǎn)移技術(shù)的高增益升壓變換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本實(shí)用新型涉及電力電子變換器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于耦合電感和電壓轉(zhuǎn)移技術(shù)的高增益升壓變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]在太陽能發(fā)電系統(tǒng)或者燃料電池系統(tǒng)中，由于單塊太陽能電池或者單個(gè)燃料電池提供的都是電壓較低的直流電，而實(shí)際應(yīng)用中所需的電壓通常較高，因此需要一級(jí)高效率、低輸入電流紋波、高增益、性能穩(wěn)定的升壓變換器把低電壓直流電轉(zhuǎn)換為適合實(shí)際需要的高壓直流電。
[0003]目前最常用的升壓變換器是單管Boost變換器，然而這種變換器的升壓范圍十分有限，通常升壓倍數(shù)都在十倍以內(nèi)，很難滿足高增益的變換要求。利用耦合電感技術(shù)實(shí)現(xiàn)的單管高增益變換器雖然可以提高變換器的增益，但是輸入電流紋波較大。利用交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)可以減小輸入電流紋波但是不能實(shí)現(xiàn)變換器增益的拓展。為實(shí)現(xiàn)增益拓展，還可以使用開關(guān)電容技術(shù)，這種技術(shù)電路結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，但是存在著開關(guān)管電流尖峰沖擊大，電壓增益有限的缺點(diǎn)。雖然通過多級(jí)開關(guān)電容結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步拓展變換器的電壓增益，但是電路結(jié)構(gòu)會(huì)變得非常復(fù)雜。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于耦合電感和電壓轉(zhuǎn)移技術(shù)的高增益升壓變換器。
[0005]本實(shí)用新型適用于光 伏系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、能量回收系統(tǒng)等需要用到高增益高性能電力電子變換器的場合。
[0006]本實(shí)用新型通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0007]—種基于耦合電感和電壓轉(zhuǎn)移技術(shù)的高增益升壓變換器，包括依次連接的不對(duì)稱交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路、電壓轉(zhuǎn)移單元電路、倍壓單元電路及輸出單元電路；
[0008]所述不對(duì)稱交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路包括第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2、第一二極管D1、第一稱合電感的原邊繞組Ln、第二稱合電感的原邊繞組L21 ；
[0009]所述電壓轉(zhuǎn)移單元電路包括第一電容仏，第四電容C4和第二二極管D2 ；
[0010]所述倍壓單元電路包括第一耦合電感的副邊繞組L12、第二耦合電感的副邊繞組L22、第二電容C2、第三二極管D3 ；
[0011]所述輸出單元電路包括第四二極管D4、第三電容C3和負(fù)載R。
[0012]所述第一耦合電感的原邊繞組L11的同名端、第二耦合電感的原邊繞組L21的同名端與輸入電源的正極連接；所述第一耦合電感的原邊繞組L11的異名端分別與第二開關(guān)管S2的漏極、第一二極管D1的陽極連接；
[0013]所述第二耦合電感的原邊繞組L21的異名端分別與第一開關(guān)管SI的漏極、第一電容C1的一端連接；[0014]所述第一開關(guān)管S1的源極、第二開關(guān)管S2的源極與輸入電源的負(fù)極連接；所述第一電容C1的另一端分別與第一二極管D1的陰極、第二二極管D2的陽極連接；
[0015]所述第四電容C4的一端分別與第二二極管D2的陰極、第三二極管D3的陽極、第一耦合電感的副邊繞組L12的同名端連接；
[0016]所述第一耦合電感的副邊繞組L12的異名端與第二耦合電感的副邊繞組L22的異名端連接；所述第二耦合電感的副邊繞組L22的同名端與第二電容C2的一端連接；所述第二電容C2的另一端分別與第三二極管D3的陰極、第四二極管D4的陽極連接；
[0017]所述第四二極管D4的陰極分別與第三電容C3的一端，負(fù)載R的一端連接；
[0018]所述第三電容C3的另一端、負(fù)載R的另一端與輸入電源的負(fù)極連接；
[0019]所述第四電容C4的另一端與輸入電源的負(fù)極連接或與輸入電源的正極連接或與第四二極管D4的陰極連接。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0021]本實(shí)用新型的變換器工作時(shí)，利用耦合電感和第二電容實(shí)現(xiàn)了電壓增益的拓展，利用耦合電感的漏感實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管零電流開通和二極管的零電流關(guān)斷，降低了變換器工作時(shí)的開關(guān)損耗；
[0022]利用第一電容、第四電容和第二二極管實(shí)現(xiàn)了電壓轉(zhuǎn)移技術(shù)進(jìn)一步提高變換器電壓增益，限制了開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力，并回收漏感能量，利用不對(duì)稱Boost電路降低了輸入電流的紋波，并減小了開關(guān)管承受的電流應(yīng)力，降低了變換器工作時(shí)的導(dǎo)通損耗，有利于提高變換器的功率等級(jí)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例1的一種基于耦合電感和電壓轉(zhuǎn)移技術(shù)的高增益升壓變換器的電路圖；
[0024]圖2 (a)?圖2 (h)是圖1所示電路圖在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的工作模態(tài)圖。其中圖
2Ca)是工作模態(tài)I的電路圖，圖2 (b)是工作模態(tài)2的電路圖，圖2 (c)是工作模態(tài)3的電路圖，圖2 (d)是工作模態(tài)4的電路圖，圖2 (e)是工作模態(tài)5的電路圖，圖2 (f)是工作模態(tài)6的電路圖，圖2 (g)是工作模態(tài)7的電路圖，圖2 (h)是工作模態(tài)8的電路圖，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；
[0025]圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例2的一種基于耦合電感和電壓轉(zhuǎn)移技術(shù)的高增益升壓變換器第二種連接方式的電路圖；
[0026]圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例3的一種基于耦合電感和電壓轉(zhuǎn)移技術(shù)的高增益升壓變換器第三種連接方式的電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。
[0028]實(shí)施例1
[0029]如圖1所示，一種基于耦合電感和電壓轉(zhuǎn)移技術(shù)的高增益升壓變換器，包括依次連接的不對(duì)稱交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路、電壓轉(zhuǎn)移單元電路、倍壓單元電路及輸出單元電路；[0030]所述不對(duì)稱交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路包括第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2、第一二極管D1、第一稱合電感的原邊繞組Ln、第二稱合電感的原邊繞組L21 ；
[0031]所述電壓轉(zhuǎn)移單元電路包括第一電容仏，第四電容C4和第二二極管D2 ；
[0032]所述倍壓單元電路包括第一耦合電感的副邊繞組L12、第二耦合電感的副邊繞組
L22、第二電容C2、第三二極管D3 ；
[0033]所述輸出單元電路包括第四二極管D4、第三電容C3和負(fù)載R。
[0034]具體連接方式:
[0035]所述第一耦合電感的原邊繞組L11的同名端、第二耦合電感的原邊繞組L21的同名端與輸入電源的正極連接；所述第一耦合電感的原邊繞組L11的異名端分別與第二開關(guān)管S2的漏極、第一二極管D1的陽極連接；
[0036]所述第二耦合電感的原邊繞組L21的異名端分別與第一開關(guān)管SI的漏極、第一電容C1的一端連接；
[0037]所述第一開關(guān)管S1的源極、第二開關(guān)管S2的源極與輸入電源的負(fù)極連接；所述第一電容C1的另一端分別 與第一二極管D1的陰極、第二二極管D2的陽極連接；
[0038]所述第四電容C4的一端分別與第二二極管D2的陰極、第三二極管D3的陽極、第一耦合電感的副邊繞組L12的同名端連接；
[0039]所述第一耦合電感的副邊繞組L12的異名端與第二耦合電感的副邊繞組L22的異名端連接；所述第二耦合電感的副邊繞組L22的同名端與第二電容C2的一端連接；所述第二電容C2的另一端分別與第三二極管D3的陰極、第四二極管D4的陽極連接；
[0040]所述第四二極管D4的陰極分別與第三電容C3的一端，負(fù)載R的一端連接；
[0041]所述第三電容C3的另一端、負(fù)載R的另一端與輸入電源的負(fù)極連接。所述第四電容的另一端與輸入電源的負(fù)極連接。
[0042]如圖2 (a)~圖2 (h)，一種基于耦合電感和電壓轉(zhuǎn)移技術(shù)的高增益升壓變換器在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)有8個(gè)工作模態(tài),分別描述如下:
[0043]工作模態(tài)1:
[0044]如圖2(a)所示，第一開關(guān)管S1和第二開關(guān)管S2導(dǎo)通，第一二極管D1、第二二極管D2和第三二極管D3關(guān)斷，第四二極管D4因流過的電流降為零而軟關(guān)斷。兩個(gè)耦合電感的勵(lì)磁電感儲(chǔ)能，第一耦合電感L1及第二耦合電感L2原邊繞組兩端承受的電壓Vu^Vuj2分別為:
[0045]VLP1=VLP2=Vd (I)其中，Vd為輸入電源電壓。
[0046]工作模態(tài)2:
[0047]如圖2 (b)所示，第一開關(guān)管S1閉合，第二開關(guān)管S2斷開。此時(shí)第二二極管D2導(dǎo)通，第三二極管D3導(dǎo)通，第一二極管D1和第四二極管D4關(guān)斷。第二耦合電感L2中的能量和第一電容C1中的能量向第四電容C4轉(zhuǎn)移，同時(shí)輸入電源通過耦合電感向電容C2提供能量。此時(shí)電路中的電壓關(guān)系為:
[0048]VLP2=Vc4-Vcl-Vd (2)
[0049]Vc2=N(Vc4-Vcl) (3)其中，Vel為第一電容Cl兩端電壓，Ve2為第二電容C2兩端電壓，Ve4為第四電容C4兩端電壓，第一耦合電感L1、第二耦合電感L2的原邊繞組與副邊繞組線圈匝數(shù)之比均為N。[0050]工作模態(tài)3:
[0051]如圖2 (C)所示，第一開關(guān)管S1閉合，第二開關(guān)管S2斷開。此時(shí)第三二極管D3繼續(xù)導(dǎo)通，第一二極管D1和第四二極管D4繼續(xù)關(guān)斷，第二二極管D2因流過電流降為零而軟關(guān)斷。輸入電源繼續(xù)通過耦合電感向電容C2提供能量。
[0052]工作模態(tài)4:
[0053]如圖2 (d)所示，第一開關(guān)管S1持續(xù)閉合，第二開關(guān)管S2閉合。此時(shí)第三二極管D3繼續(xù)導(dǎo)通，第一二極管D1、第二二極管D2和第四二極管D4均關(guān)斷。流過第三二極管D3的電流迅速下降，流過第二開關(guān)管S2的電流從零開始上升，第二開關(guān)管S2實(shí)現(xiàn)零電流開通。
[0054]工作模態(tài)5:
[0055]如圖2 (e)所示，第三二極管D3因流過的電流降為零而實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷，此工作模態(tài)和工作模態(tài)I相同。
[0056]工作模態(tài)6:
[0057]如圖2 (f)所示，第一開關(guān)管S1關(guān)斷，第二開關(guān)管S2持續(xù)閉合。此時(shí)第一二極管D1和第四二極管D4導(dǎo)通，第二二極管D2和第三二極管D3關(guān)斷。輸入電源和第一耦合電感L1的原邊勵(lì)磁電感向第一電容C1提供能量，同時(shí)通過第一I禹合電感L1、第二f禹合電感L2向負(fù)載提供能量，第四電容C4和第二電容C2向負(fù)載提供能量，此時(shí)電路中的電壓關(guān)系為:
[0058]V=Vcl-Vd (4)
[0059]V0=Vc4+Vc2+NVc1 (5)其中，V。為輸出電壓。
·[0060]工作模態(tài)7:
[0061]如圖2 (g)所示，第一開關(guān)管S1關(guān)斷，第二開關(guān)管S2閉合。第一二極管D1因流過的電流降為零而軟關(guān)斷，第四二極管D4導(dǎo)通，輸入電源，第四電容C4及第二電容C2繼續(xù)向負(fù)載提供能量。
[0062]工作模態(tài)8:
[0063]如圖2 (h)所示，第一開關(guān)管S1閉合，第二開關(guān)管S2閉合，第一二極管D1、第二二極管D2和第三二極管D3關(guān)斷，第四二極管D4繼續(xù)導(dǎo)通，流過第四二極管D4的電流迅速下降，流過第一開關(guān)管S1的電流從零開始上升，第一開關(guān)管S1實(shí)現(xiàn)零電流開通。
[0064]穩(wěn)態(tài)時(shí)的電壓增益分析:
[0065]設(shè)第一開關(guān)管S1和第二開關(guān)管S2工作的占空比均為D，并且它們的驅(qū)動(dòng)信號(hào)在相位上相差180°，根據(jù)電感伏秒平衡特性，以及聯(lián)立式(I)~式(5)可得:
Tr 2N + 2 τ,
[0066]V =——Vd
[0067]即本實(shí)用新型所述的一種基于耦合電感和電壓轉(zhuǎn)移技術(shù)的高增益升壓變換器的電壓增益M為:
V 2N+2
[0068]M =?= 。

d
[0069]實(shí)施例2
[0070]如圖3，本實(shí)施例與實(shí)施例1唯一的區(qū)別在于:所述第四電容C4的另一端與輸入電源的正極連接，其余結(jié)構(gòu)與功能均與實(shí)施例1相同。
[0071]實(shí)施例3[0072]如圖4，本實(shí)施例與實(shí)施例1唯一的區(qū)別在于:所述第四電容C4的另一端與第四二極管D4的陰極連接，其余結(jié)構(gòu)與功能均與實(shí)施例1相同。
[0073]本實(shí)用新型利用耦合電感和第二電容C2實(shí)現(xiàn)了電壓增益的拓展，利用耦合電感的漏感實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管零電流開通和二極管的零電流關(guān)斷，利用第一電容C1，第四電容C4和第二二極管D2實(shí)現(xiàn)了電壓轉(zhuǎn)移技術(shù)進(jìn)一步提高變換器電壓增益，限制了開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力，并回收漏感能量，利用不對(duì)稱Boost電路降低了輸入電流的紋波，并減小了開關(guān)管承受的電流應(yīng)力。
[0074]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)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于耦合電感和電壓轉(zhuǎn)移技術(shù)的高增益升壓變換器，其特征在于，包括依次連接的不對(duì)稱交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路、電壓轉(zhuǎn)移單元電路、倍壓單元電路及輸出單元電路； 所述不對(duì)稱交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路包括第一開關(guān)管(S1X第二開關(guān)管(S2)、第一二極管(D1)、第一稱合電感的原邊繞組(L11)、第二稱合電感的原邊繞組(L21)； 所述電壓轉(zhuǎn)移單元電路包括第一電容(C1),第四電容(C4)和第二二極管(D2); 所述倍壓單元電路包括第一耦合電感的副邊繞組(L12)、第二耦合電感的副邊繞組(l22)、第二電容(c2)、第三二極管(D3)； 所述輸出單元電路包括第四二極管(D4)、第三電容(C3)和負(fù)載(R)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，所述第一耦合電感的原邊繞組(L11)的同名端、第二耦合電感的原邊繞組(L21)的同名端與輸入電源的正極連接；所述第一耦合電感的原邊繞組(L11)的異名端分別與第二開關(guān)管(S2)的漏極、第一二極管(D1)的陽極連接； 所述第二耦合電感的原邊繞組(L21)的異名端分別與第一開關(guān)管(S1)的漏極、第一電容(C1)的一端連接； 所述第一開關(guān)管(S1)的源極、第二開關(guān)管(S2)的源極與輸入電源的負(fù)極連接；所述第一電容(C1)的另一端分別與第一二極管(D1)的陰極、第二二極管(D2)的陽極連接； 所述第四電容(C4)的一端分別與第二二極管(D2)的陰極、第三二極管(D3)的陽極、第一耦合電感的副邊繞組(L12)的同名端連接； 所述第一耦合電感的副邊繞組(L12)的異名端與第二耦合電感的副邊繞組(L22)的異名端連接；所述第二耦合電感的副邊繞組(L22)的同名端與第二電容(C2)的一端連接；所述第二電容(C2)的另一端分別與第三二極管(D3)的陰極、第四二極管(D4)的陽極連接； 所述第四二極管(D4)的陰極分別與第三電容(C3)的一端，負(fù)載(R)的一端連接； 所述第三電容(C3)的另一端、負(fù)載(R)的另一端與輸入電源的負(fù)極連接； 所述第四電容(C4)的另一端與輸入電源的負(fù)極連接或與輸入電源的正極連接或與第四二極管(D4)的陰極連接。
【文檔編號(hào)】H02M1/14GK203434860SQ201320524836
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月26日
【發(fā)明者】張波, 張能, 黃子田, 丘東元, 肖文勛 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué), 東莞市石龍富華電子有限公司