一種開關(guān)電容型高增益準(zhǔn)z源dc-dc變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種開關(guān)電容型高增益準(zhǔn)Z源DC?DC變換器電路，包括電壓源，由第一電容，第一二極管，第一電感，第二電感，第三電容構(gòu)成的二端準(zhǔn)Z源單元，由第二電容、第二二極管構(gòu)成的開關(guān)電容單元，一個(gè)MOS管，輸出二極管，輸出濾波電容和負(fù)載。本發(fā)明整個(gè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)合了準(zhǔn)Z源單元單級(jí)升降壓特性和開關(guān)電容并行充電串聯(lián)放電的特性，實(shí)現(xiàn)了變換器輸出電壓增益的拓展。
【專利說(shuō)明】
-種開關(guān)電容型高増益準(zhǔn)Z源DC-DC變換器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電力電子電路技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種開關(guān)電容型高增益準(zhǔn)Z源DC-DC 變換器電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 在燃料電池發(fā)電、光伏發(fā)電中，由于單個(gè)太陽(yáng)能電池或者單個(gè)燃料電池提供的直 流電壓較低，無(wú)法滿足現(xiàn)有用電設(shè)備的用電需求，也不能滿足并網(wǎng)的需求，往往需要將多個(gè) 電池串聯(lián)起來(lái)達(dá)到所需的電壓。運(yùn)種方法一方面大大降低了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，另一方面 還需解決串聯(lián)均壓?jiǎn)栴}。為此，需要能夠把低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓的高增益DC-DC變換器。近 幾年提出的Z源變換器是一種高增益DC-DC變換器，但該電路具有較高的阻抗網(wǎng)絡(luò)電容電壓 應(yīng)力，且電路啟動(dòng)時(shí)存在很大啟動(dòng)沖擊電流問(wèn)題，限制了該電路在實(shí)際中的應(yīng)用。為了進(jìn)一 步提高Z源變換器的輸出電壓，有必要通過(guò)拓?fù)涓倪M(jìn)拓展其輸出電壓增益。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種開關(guān)電容型高增益準(zhǔn)Z 源DC-DC變換器電路，具體技術(shù)方案如下。
[0004] -種開關(guān)電容型高增益準(zhǔn)Z源DC-DC變換器電路，包括電壓源，由第一電容，第一二 極管，第一電感，第二電感，第=電容構(gòu)成的二端準(zhǔn)Z源單元，由第二電容、第二二極管構(gòu)成 的開關(guān)電容單元，一個(gè)MOS管，輸出二極管D。，輸出濾波電容和負(fù)載。所述準(zhǔn)Z源單元由第一 電感、第一二極管、第一電容、第二電感和第=電容構(gòu)成;所述開關(guān)電容單元由第二電容和 第二二極管構(gòu)成。
[0005] 上述的一種開關(guān)電容型高增益準(zhǔn)Z源DC-DC變換器電路中，所述電壓源的正極分別 與第一電容的負(fù)極和第一電感的一端連接;所述第一電容的正極分別與第一二極管的陰 極、第二電感的一端和輸出二極管的陽(yáng)極連接;所述第一二極管的陽(yáng)極分別與第=電容的 負(fù)極和第一電感的另一端連接;所述第=電容的正極分別與第二電感的另一端、MOS管的漏 極、第二電容的正極連接;所述第二電容的負(fù)極分別與第二二極管的陽(yáng)極、輸出濾波電容的 負(fù)極和負(fù)載的一端連接;所述輸出二極管的陰極分別與輸出濾波電容的正極和負(fù)載的另一 端連接;所述電壓源的負(fù)極分別與MOS管的源極、第二二極管的陰極連接。
[0006] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明電路具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果:本發(fā)明整個(gè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，只用了一個(gè)MOS管，控制方便，輸出電壓增益更高;本發(fā)明電路結(jié)合利用了準(zhǔn)Z源單元的 單級(jí)升降壓特性和開關(guān)電容并行充電串聯(lián)放電的特性，從而升高了輸出電壓，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)Z源 DC-DC變換器輸出電壓增益的拓展。
【附圖說(shuō)明】
[0007] 圖1是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中的一種開關(guān)電容型高增益準(zhǔn)Z源DC-DC變換器電路。 [000引圖2曰、圖化分別是圖1所示一種開關(guān)電容型高增益準(zhǔn)Z源DC-DC變換器電路在其MOS 管S導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)段的等效電路圖。
[0009] 圖3a為本發(fā)明電路的增益曲線與Boost變換器、開關(guān)電容Boost變換器、傳統(tǒng)Z源 DC-DC變換器和新型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器的增益曲線比較圖。
[0010] 圖3b為圖3a中本發(fā)明電路的增益曲線與Boost變換器、開關(guān)電容Boost變換器、傳 統(tǒng)Z源DC-DC變換器和新型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器的增益曲線在占空比D小于0.5內(nèi)的比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011] W上內(nèi)容已經(jīng)對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作了詳細(xì)說(shuō)明，W下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體 實(shí)施作進(jìn)一步描述。
[0012] 參考圖1，本發(fā)明所述的一種開關(guān)電容型高增益準(zhǔn)Z源DC-DC變換器電路，包括電壓 源，由第一電容，第一二極管，第一電感，第二電感，第=電容構(gòu)成的二端準(zhǔn)Z源單元，由第二 電容、第二二極管構(gòu)成的開關(guān)電容單元，一個(gè)MOS管，輸出二極管Dd，輸出濾波電容和負(fù)載。 所述準(zhǔn)Z源單元由第一電感、第一二極管、第一電容、第二電感和第=電容構(gòu)成;所述開關(guān)電 容單元由第二電容和第二二極管構(gòu)成。當(dāng)MOS管S導(dǎo)通時(shí)，所述第一二極管化、第二二極管化 均關(guān)斷，電壓源Vi和第一電容Cl對(duì)第二電感L2充電；電壓源Vi與第S電容C3和第一電感^充 電；同時(shí)，電壓源Vi、第一電容Cl和第二電容C2-起對(duì)輸出濾波電容Cf和負(fù)載化供電。當(dāng)MOS管 S關(guān)斷時(shí)，所述第一二極管化、第二二極管化均導(dǎo)通，輸出二極管D。關(guān)斷。所述第一電感^與 第一電容Cl并聯(lián)，形成回路;所述第二電感L2與第=電容C3并聯(lián)，形成回路;所述電壓源Vi、 第一電感^和第二電感L2給第二電容C2充電；同時(shí)，輸出濾波電容Cf給負(fù)載化供電。整個(gè)電 路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有較高的輸出電壓增益。
[0013] 本發(fā)明電路的具體連接方式如下:所述電壓源的正極分別與第一電容的負(fù)極和第 一電感的一端連接;所述第一電容的正極分別與第一二極管的陰極、第二電感的一端和輸 出二極管的陽(yáng)極連接;所述第一二極管的陽(yáng)極分別與第=電容的負(fù)極和第一電感的另一端 連接;所述第=電容的正極分別與第二電感的另一端、MOS管的漏極、第二電容的正極連接； 所述第二電容的負(fù)極分別與第二二極管的陽(yáng)極、輸出濾波電容的負(fù)極和負(fù)載的一端連接； 所述輸出二極管的陰極分別與輸出濾波電容的正極和負(fù)載的另一端連接;所述電壓源的負(fù) 極分別與MOS管的源極、第二二極管的陰極連接。
[0014] 圖2曰、圖化給出了本發(fā)明電路的工作過(guò)程圖。圖2曰、圖化分別對(duì)應(yīng)的是MOS管S導(dǎo)通 和同時(shí)關(guān)斷時(shí)段的等效電路圖。圖中實(shí)線表示變換器中有電流流過(guò)的部分，虛線表示變換 器中無(wú)電流流過(guò)的部分。
[0015] 本發(fā)明的工作過(guò)程如下：
[0016] 階段1，如圖2a:M0S管S導(dǎo)通，此時(shí)第一二極管化、第二二極管化、均關(guān)斷。電路形成 了S個(gè)回路，分別是：電壓源Vi與第一電容Cl和第二電容C2-起給輸出濾波電容Cf和負(fù)載化 充電，形成回路；電壓源Vi與第一電容Cl對(duì)第二電感L2進(jìn)行充電，形成回路；電壓源Vi與第= 電容C3對(duì)第一電感^進(jìn)行充電，形成回路。
[0017]階段2,如圖化:M0S管S關(guān)斷，此時(shí)第一二極管化、第二二極管D2均導(dǎo)通，輸出二極管 D。關(guān)斷。電路形成了四個(gè)回路，分別是：電壓源Vi、第一電感^和第二電感L2給第二電容C2充 電，形成回路;第一電感^對(duì)第一電容Cl充電，形成回路;第二電感L2對(duì)第=電容C3充電，形 成回路;輸出濾波電容Cf給負(fù)載化供電，形成回路。
[001引綜上情況，設(shè)MOS管S的占空比均為D，開關(guān)周期為Ts。并設(shè)定Vli和Vl2分別為電感^ 和L2兩端的電壓，Vci、Vc2和Vc3分別為第一電容Cl、第二電容C2和第S電容C3的電壓，Vs為MOS 管S漏極與源極之間的電壓。在一個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)，令輸出電壓為V。。當(dāng)變換器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作 后，得出W下的電壓關(guān)系推導(dǎo)過(guò)程。
[0019] 工作模態(tài)1:M0S管S導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)的等效電路圖2a所示，因此有如下公式：
[0020] 化i = Vi+Vc3 (1)
[0021] 化 2 = Vi+Vci (2)
[0022] Vo = Vi+Vci+Vc2 (3)
[0023] Vs = O (4)
[0024] MOS管S的導(dǎo)通時(shí)間為DTs。
[0025] 工作模態(tài)2 :M0S管S關(guān)斷，對(duì)應(yīng)的等效電路如圖2b所示，因此有如下公式：
[0026] 化1 = -￥。1 (5)
[0027] 化2 = -Vc3 (6)
[002引 Vi = Vc2-Vc3-Vci (7)
[0029] Vs = Vc2 (8)
[0030] MOS管S的關(guān)斷時(shí)間為（l-D)Ts。
[0031] 根據(jù)W上分析，對(duì)第一電感b和第二電感L2分別運(yùn)用電感伏秒數(shù)守恒原理，聯(lián)立式 (1)、式(2)、式(5)、式(6)可得：
[0032] D(Vi+Vc3)-(l-D)Vci = 0 (9)
[0033] D(Vi+Vci)-(l-D)Vc3 = 0 (10)
[0034] 由式(7)、式(9)和式（11)可W得到第一電容Cl的電壓Vci、第二電容C2的電壓Vc2和 第S電容C3的電壓Vra與電壓源Vi之間的關(guān)系式為：
[0035] (11)
[0036] (12)
[0037] 則由式(3)、式(11)和式(12)，可得本發(fā)明電路的增益因子表達(dá)式為：
[003引
（13)
[0039] 如圖3a所示為本發(fā)明電路的增益曲線與Boost變換器、開關(guān)電容Boost變換器、傳 統(tǒng)Z源DC-DC變換器和新型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器的增益曲線比較圖；圖3b為圖3a中本發(fā)明電路 增益曲線與基本升壓電路的增益曲線在占空比D小于0.5內(nèi)的比較圖，圖中包括本發(fā)明電路 的增益曲線，新型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器的增益曲線，傳統(tǒng)Z源DC-DC變換器的增益曲線，開關(guān)電 容Boost變換器的增益曲線，和Boost變換器的增益曲線。由圖可知，本發(fā)明電路在占空比D 不超過(guò)0.5的情況下，增益G就可W達(dá)到很大，且本發(fā)明電路的占空比D不會(huì)超過(guò)0.5。因此， 相比之下，本發(fā)明電路的增益是非常高的。
[0040] 綜上所述，本發(fā)明電路整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只是用了一個(gè)MOS管，控制方便，結(jié)合了準(zhǔn)Z 源單元單級(jí)升降壓特性和開關(guān)電容并行充電串聯(lián)放電的特性，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓增益的進(jìn)一 步提升，且不存在啟動(dòng)沖擊電流和MOS管開通瞬間的沖擊電流。
[0041]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)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種開關(guān)電容型高增益準(zhǔn)z源DC-DC變換器電路，其特征在于包括電壓源(VO、準(zhǔn)Z源 單元、M0S管(S)、開關(guān)電容單元、輸出二極管(D。）、輸出濾波電容(C f)和負(fù)載(Rl);所述準(zhǔn)Z源 單元由第一電感(1^)、第一二極管(DD、第一電容(&)、第二電感(L 2)和第三電容(C3)構(gòu)成； 所述開關(guān)電容單元由第二電容(C2)和第二二極管(D 2)構(gòu)成。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種開關(guān)電容型高增益準(zhǔn)Z源DC-DC變換器電路，其特征在于 所述電壓源(V0的正極分別與第一電容(CD的負(fù)極和第一電感(LD的一端連接;所述第一 電容(Ci)的正極分別與第一二極管(Di)的陰極、第二電感(L2)的一端和輸出二極管(D。）的 陽(yáng)極連接;所述第一二極管(DD的陽(yáng)極分別與第三電容(C 3)的負(fù)極和第一電感(LD的另一 端連接;所述第三電容(C3)的正極分別與第二電感(L 2)的另一端、M0S管(S)的漏極、第二電 容(C2)的正極連接;所述第二電容(C 2)的負(fù)極分別與第二二極管(D2)的陽(yáng)極、輸出濾波電容 (Cf)的負(fù)極和負(fù)載(RD的一端連接;所述輸出二極管(D。)的陰極分別與輸出濾波電容(C f) 的正極和負(fù)載(Rl)的另一端連接;所述電壓源(V0的負(fù)極分別與M0S管(S)的源極、第二二極 管(D 2)的陰極連接。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種開關(guān)電容型高增益準(zhǔn)Z源DC-DC變換器電路，其特征在于 當(dāng)M0S管(S)導(dǎo)通時(shí)，所述第一二極管(DD、第二二極管(D 2)均關(guān)斷，電壓源(V0和第一電容 (⑴對(duì)第二電感(L2)充電，電壓源(Vi)與第三電容(C 3)和第一電感(LD充電，同時(shí)，電壓源 (Vi)、第一電容(&)和第二電容(C2)-起對(duì)輸出濾波電容(C f)和負(fù)載(Rl)供電；當(dāng)M0S管(S) 關(guān)斷時(shí)，所述第一二極管(DD、第二二極管(D2)均導(dǎo)通，輸出二極管(D。)關(guān)斷，所述第一電感 ( Ll)與第一電容(&)并聯(lián)，形成回路，所述第二電感(L2)與第三電容(C3)并聯(lián)，形成回路，所 述電壓源(Vi)、第一電感仏)和第二電感(L 2)給第二電容(C2)充電，同時(shí)，輸出濾波電容(Cf) 給負(fù)載(Rl)供電。
【文檔編號(hào)】H02M3/07GK105978322SQ201610508502
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年6月29日
【發(fā)明人】張波, 朱小全, 丘東元
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)