本發(fā)明涉及電力電子變換器的技術領域，尤其是指一種基于準z源橋式結構輸出容量可控的高增益直流電壓變換器。

背景技術：

隨著工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，大功率、高增益的變換器在需要電能變換的場合發(fā)揮著越來越重要的作用。近些年來提出的z源變換器實現(xiàn)了低占空比時獲得較大的輸出電壓。然而，在負載功率較大的情況下，在設計傳統(tǒng)的z源變換器時需要選擇容值較大的電容，且開關管和二極管的電流應力大，限制了z源變換器在大功率場合的應用。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足與缺點，提供了一種基于準z源橋式結構輸出容量可控的高增益直流電壓變換器，適用于需要大功率和高增益的電力電子電路。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術方案為：一種輸出容量可控的高增益直流電壓變換器，包括電壓源、第一開關管、第二開關管、第一準z源模塊、第二準z源模塊、輸出模塊，所述第一準z源模塊由第一電容、第二電容、第一電感、第二電感和第一二極管組成，所述第二準z源模塊由第三電容、第四電容、第三電感、第四電感和第二二極管組成，所述輸出模塊由第三二極管、第五電容和負載組成；所述電壓源的正極分別與第一電容的負極、第二電感的一端和第二開關管的漏極連接，該電壓源的負極分別與第一開關管的源極、第三電感的另一端和第四電容的正極連接；所述第一電容的正極分別與第一電感的一端和第一二極管的陰極連接；所述第二電感的另一端分別與第二電容的負極和第一二極管的陽極連接；所述第一電感的另一端分別與第二電容的正極、第一開關管的漏極和第三二極管的陽極連接；所述第三二極管的陰極分別與第五電容的正極和負載的一端連接；所述第五電容的負極分別與負載的另一端、第二開關管的源極、第三電容的負極和第四電感的一端連接；所述第三電容的正極分別與第三電感的一端和第二二極管的陰極連接；所述第四電感的另一端分別與第二二極管的陽極和第四電容的負極連接。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點與有益效果：

本發(fā)明采用兩組準z源模塊，具有較高的輸出電壓增益，降低了二極管和開關管的電流應力，提高了功率容量，且準z源模塊的電容應力低，電路不存在啟動沖擊問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述高增益直流電壓變換器的電路原理圖。

圖2a、圖2b分別是本發(fā)明所述高增益直流電壓變換器在第一開關管s1和第二開關管s2導通和關斷中兩個主要階段的等效電路圖，圖中實線表示變換器中有電流流過的部分，虛線表示變換器中無電流流過的部分。

圖3是本發(fā)明電路的仿真主要工作波形圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。

參見圖1所示，本實施例所提供的高增益直流電壓變換器，包括電壓源vi、第一開關管s1、第二開關管s2、第一準z源模塊、第二準z源模塊、輸出模塊，所述第一準z源模塊由第一電容c1、第二電容c2、第一電感l(wèi)1、第二電感l(wèi)2和第一二極管d1組成，所述第二準z源模塊由第三電容c3、第四電容c4、第三電感l(wèi)3、第四電感l(wèi)4和第二二極管d2組成，所述輸出模塊由第三二極管d3、第五電容c5和負載r組成；電壓源vi的正極分別與第一電容c1的負極、第二電感l(wèi)2的一端和第二開關管s2的漏極連接，該電壓源vi的負極分別與第一開關管s1的源極、第三電感l(wèi)3的另一端和第四電容c4的正極連接；第一電容c1的正極分別與第一電感l(wèi)1的一端和第一二極管d1的陰極連接；第二電感l(wèi)2的另一端分別與第二電容c2的負極和第一二極管d1的陽極連接；第一電感l(wèi)1的另一端分別與第二電容c2的正極、第一開關管s1的漏極和第三二極管d3的陽極連接；第三二極管d3的陰極分別與第五電容c5的正極和負載r的一端連接；第五電容c5的負極分別與負載r的另一端、第二開關管s2的源極、第三電容c3的負極和第四電感l(wèi)4的一端連接；第三電容c3的正極分別與第三電感l(wèi)3的一端和第二二極管d2的陰極連接；第四電感l(wèi)4的另一端分別與第二二極管d2的陽極和第四電容c4的負極連接。

此外，上述的高增益直流電壓變換器的輸入端可以串聯(lián)或者并聯(lián)濾波電路用來改善電路的特性。

第一開關管s1和第二開關管s2導通時，電壓源vi和第一電容c1對第一電感l(wèi)1充電；電壓源vi和第二電容c2對第二電感l(wèi)2充電；電壓源vi和第三電容c3對第三電感l(wèi)3充電；電壓源vi和第四電容c4對第四電感l(wèi)4充電；第五電容c5為負載r供電。第一開關管s1和第二開關管s2關斷時，第一電感l(wèi)1通過第一二極管d1對第二電容c2充電；第二電感l(wèi)2通過第一二極管d1對第一電容c1充電；第三電感l(wèi)3通過第二二極管d2對第四電容c4充電；第四電感l(wèi)4通過第二二極管d2對第三電容c3充電；電壓源vi、第一電感l(wèi)1、第二電感l(wèi)2、第三電感l(wèi)3、第四電感l(wèi)4通過第一二極管d1、第二二極管d2和第三二極管d3對第五電容c5充電，同時給負載r供電。本發(fā)明提高了z源變換器的功率容量，具有較高的電壓增益。

參見圖2a、圖2b所示，給出了第一開關管s1和第二開關管s2導通和關斷中兩個主要階段的等效電路圖。結合圖2a、圖2b，本實施例上述的高增益直流電壓變換器的工作過程如下：

階段1，如圖2a：第一開關管s1和第二開關管s2導通，此時第一二極管d1和第二二極管d2關斷；電路中形成5個回路，分別是：電壓源vi和第一電容c1對第一電感l(wèi)1充電；電壓源vi和第二電容c2對第二電感l(wèi)2充電；電壓源vi和第三電容c3對第三電感l(wèi)3充電；電壓源vi和第四電容c4對第四電感l(wèi)4充電；第五電容c5為負載r供電。

階段2，如圖2b：第一開關管s1和第二開關管s2關斷，此時第一二極管d1和第二二極管d2導通；電路中形成5個回路，分別是：第一電感l(wèi)1通過第一二極管d1對第二電容c2充電；第二電感l(wèi)2通過第一二極管d1對第一電容c1充電；第三電感l(wèi)3通過第二二極管d2對第四電容c4充電；第四電感l(wèi)4通過第二二極管d2對第三電容c3充電；電壓源vi、第一電感l(wèi)1、第二電感l(wèi)2、第三電感l(wèi)3、第四電感l(wèi)4通過第一二極管d1、第二二極管d2和第三二極管d3對第五電容c5充電，同時給負載r供電。

綜上情況，一個開關周期內(nèi)，設開關管占空比為d，設第一電感l(wèi)1、第二電感l(wèi)2、第三電感l(wèi)3、第四電感l(wèi)4、第一電容c1、第二電容c2、第三電容c3、第四電容c4的電壓分別為vl1、vl2、vl3、vl4、vc1、vc2、vc3、vc4，設輸出電壓為vo，得出以下電壓增益的推導過程。

第一開關管s1和第二開關管s2導通期間，對應階段1所述的工作情形，因此有如下公式：

vl1＝vc1+vi(1)

vl2＝vc2+vi(2)

vl3＝vc3+vi(3)

vl4＝vc4+vi(4)

第一開關管s1和第二開關管s2關斷期間，對應階段2所述的工作情形，因此有如下公式：

vl1＝-vc2(5)

vl2＝-vc1(6)

vl3＝-vc4(7)

vl4＝-vc3(8)

vo＝vc1+vc2+vc3+vc4+vi(9)

由以上分析，根據(jù)電感的伏秒特性，有，

對于第一電感l(wèi)1：

(vc1+vi)d+(-vc2)(1-d)＝0(10)

對于第二電感l(wèi)2：

(vc2+vi)d+(-vc1)(1-d)＝0(11)

對于第三電感l(wèi)3：

(vc3+vi)d+(-vc4)(1-d)＝0(12)

對于第四電感l(wèi)4：

(vc4+vi)d+(-vc3)(1-d)＝0(13)

聯(lián)立式子(9)-(13)，可得到該電路的輸出電壓表達式為：

在一個開關周期中，設周期為t，四個電感電流的平均值均相等，設為第一開關管s1和第二開關管s2導通時，設電源vi的耗能為wion，則有：

第一開關管s1和第二開關管s2斷開時，設電源vi的耗能為wioff，第一電容c1的電流為ic1，則根據(jù)第一電容c1的安秒平衡，有以下公式：

一個開關周期內(nèi)，設電源的輸入功率為pi，負載的輸出功率為po，電路的效率為η，則有：

聯(lián)立式子(15)-(18)，可得到電感電流的平均值為：

第一開關管s1和第二開關管s2導通時，若不考慮電流紋波影響，則兩個開關管的電流應力均為：

由式子(14)可知，本發(fā)明所述的一種基于準z源橋式結構輸出容量可控的高增益直流電壓變換器的電壓增益為而傳統(tǒng)的z源變換器和準z源變換器的電壓增益為故本發(fā)明在占空比d小于0.5的情況下，能實現(xiàn)較大的電壓增益。同時，由式子(20)可知，本發(fā)明的開關管的電流應力為而傳統(tǒng)的z源變換器和準z源變換器的開關管的電流應力為故在相同的輸出功率和效率的條件下，本發(fā)明能有效減低開關管的電流應力。

設開關管的最大允許電流應力為isw-max，由式子(20)可得，本發(fā)明的功率容量為：

而傳統(tǒng)的z源和準z源變換器的功率容量為：

由式子(21)和式子(22)可知，在輸入電壓vi相同，效率η相同，開關管具有相同的電流應力上限isw-max時，尤其是當占空比d接近0.5時，本發(fā)明的功率容量約為傳統(tǒng)z源變換器的兩倍。

在電壓源vi＝1v，占空比d＝0.4，輸出功率po＝8.1w的情況下，由式子(14)、(19)和(20)得到的輸出電壓的理論分析結果為vo＝9v，電感電流的平均值的理論分析結果為開關管的電流應力的理論分析結果為9a。圖3所示對應參數(shù)下的仿真波形，可以看出輸出電壓的仿真結果也接近9v，電感電流的平均值的仿真結果也接近4.5a，開關管的電流應力的仿真結果接近9a，從而有效驗證了理論分析的正確性。在占空比d＝0.4的情況下，本發(fā)明之變換器的電壓增益為9，而傳統(tǒng)z源變換器的增益為5。可見，本發(fā)明能夠提高輸出電壓，擴大功率容量，同時能夠有效的降低電容應力，且電路不存在啟動沖擊問題，具有較高的應用價值。

以上所述實施例只為本發(fā)明之較佳實施例，并非以此限制本發(fā)明的實施范圍，故凡依本發(fā)明之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。