CN112713769B - 一种基于升压公式的单开关Boost三电平变换器 - Google Patents

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CN112713769B CN202011602868.0A CN202011602868A CN112713769B CN 112713769 B CN112713769 B CN 112713769B CN 202011602868 A CN202011602868 A CN 202011602868A CN 112713769 B CN112713769 B CN 112713769B
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Abstract

本申请公开了一种基于升压公式的单开关Boost三电平变换器，包括：第一子电路和第二子电路，第一子电路与第二子电路串联；第一子电路包括耦合电感原边绕组、开关管、第四二极管、第六二极管、第四电容和第六电容；第二子电路包括耦合电感副边绕组、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第五二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第五电容、输出整流二极管和稳压电容；开关管用于控制第一子电路和第二子电路的连接状态，构成升压三电平变换器。本申请能够解决现有基于级联或者双开关的变换器导致电路器件数量增加，电路控制复杂化，且效率不高，成本高的技术问题。

Description

一种基于升压公式的单开关Boost三电平变换器
技术领域
本申请涉及升压变换器技术领域，尤其涉及一种基于升压公式的单开关Boost三电平变换器。
背景技术
太阳能和风能已经得到了较为广泛的应用，不过这些***如何实现并网运行、满足电网中的高电压需要仍然是最重要的问题，具有高电压增益特性的DC-DC变换器在新能源发电并网过程发挥着不可或缺的作用。常规的BOOST变换器的由于寄生参数的影响，它的占空比不能太高，因此BOOST变换器的电压增益能力较低，开关管的电压应力较大，功率损耗严重，因此，BOOST变换器在高效率的情况下不可能提供足够高的电压增益比来增高电压以满足并网的需要。为此，相继出现了级联型BOOST变换器、双开关Boost三电平变换器等，但是存在器件数量增加，效率不高，电路变得复杂，控制器复杂，成本高等一系列问题。
发明内容
本申请提供了一种基于升压公式的单开关Boost三电平变换器，用于解决现有基于级联或者双开关的变换器导致电路器件数量增加，电路控制复杂化，且效率不高，成本高的技术问题。
有鉴于此，本申请第一方面提供了一种基于升压公式的单开关Boost三电平变换器，包括：第一子电路和第二子电路，所述第一子电路与所述第二子电路串联；
所述第一子电路包括耦合电感原边绕组、开关管、第四二极管、第六二极管、第四电容和第六电容；
所述第二子电路包括耦合电感副边绕组、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第五二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第五电容、输出整流二极管和稳压电容；
所述开关管用于控制所述第一子电路和所述第二子电路的连接状态，构成升压三电平变换器。
可选的，输入电源的正极与所述耦合电感原边绕组的一端连接，所述耦合电感原边绕组的另一端分别与所述第六二极管的阳极和所述开关管的漏极相连。
可选的，所述第六二极管的阴极分别与所述第四二极管的阳极和所述第四电容的一端相连。
可选的，所述第四电容的另一端分别与所述耦合电感副边绕组的一端、所述第一电容的一端和所述第五电容的一端相连。
可选的，所述第五电容的另一端分别与所述第三二极管的阳极和所述第五二极管的阴极相连。
可选的，所述耦合电感副边绕组的另一端分别于所述稳压电容的一端、所述第二电容的一端、所述第三电容的一端、所述第六电容的一端、所述第四二极管的阴极、所述第五二极管的阳极相连。
可选的，所述第三电容的另一端分别与所述第一二极管的阳极和所述第三二极管的阴极相连。
可选的，所述第一二极管的阴极分别与所述第二二极管的阳极和所述第一电容的另一端相连。
可选的，所述第二二极管的阴极分别与所述第二电容的另一端和所述输出整流二极管的阳极相连。
可选的，所述输出整流二极管的阴极分别与所述稳压电容的另一端和负载电阻的一端相连；
所述第六电容的另一端、所述开关管的源极和所述负载电阻的另一端均与所述输入电源的负极相连。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
本申请中，提供了一种基于升压公式的单开关Boost三电平变换器，包括：第一子电路和第二子电路，所述第一子电路与所述第二子电路串联；所述第一子电路包括耦合电感原边绕组、开关管、第四二极管、第六二极管、第四电容和第六电容；所述第二子电路包括耦合电感副边绕组、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第五二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第五电容、输出整流二极管和稳压电容；所述开关管用于控制所述第一子电路和所述第二子电路的连接状态，构成升压三电平变换器。
本申请提供的基于升压公式的单开关Boost三电平变换器，既包括一个开关管，不存在多重级联BOOST变换器，通过单个开关管控制第一子电路和第二子电路的连通状态，调整电路的导通线，从而得到升压三电平变换器，电路所需元器件简单，易实现控制，可以提升效率，器件数量少，可以降低成本；采用单个开关也能避免三电平电压不平衡的问题。因此，本申请能够解决现有基于级联或者双开关的变换器导致电路器件数量增加，电路控制复杂化，且效率不高，成本高的技术问题。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种基于升压公式的单开关Boost三电平变换器的拓扑结构示意图；
图2为本申请实施例提供的三电平变换器第一种工作模态结构示意图；
图3为本申请实施例提供的三电平变换器第二种工作模态结构示意图；
图4为本申请实施例提供的三电平变换器第三种工作模态结构示意图；
图5为本申请实施例提供的三电平变换器第四种工作模态结构示意图；
图6为本申请实施例提供的三电平变换器第五种工作模态结构示意图；
图7为本申请实施例提供的输出电压、稳压电容两端电压和第六电容两端的电压波形图；
图8为本申请实施例提供的耦合电感原边绕组两端电压、流过耦合电感原边绕组电流与开关管栅源电压波形图；
图9为本申请实施例提供的耦合电感副边绕组L2两端电压、流过耦合电感副边绕组电流与开关管栅源电压波形图；
图10为本申请实施例提供的第三二极管的电压、第三二极管的电流与开关管栅源电压波形图；
图11为本申请实施例提供的第四二极管的电压、第四二极管的电流与开关管栅源电压波形图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为了便于理解，请参阅图1，本申请提供的一种基于升压公式的单开关Boost三电平变换器的实施例，包括：第一子电路和第二子电路，所述第一子电路与所述第二子电路串联。
所述第一子电路包括耦合电感原边绕组、开关管、第四二极管、第六二极管、第四电容和第六电容；
所述第二子电路包括耦合电感副边绕组、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第五二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第五电容、输出整流二极管和稳压电容；
所述开关管用于控制所述第一子电路和所述第二子电路的连接状态，构成升压三电平变换器。
进一步地，输入电源的正极与所述耦合电感原边绕组的一端连接，所述耦合电感原边绕组的另一端分别与所述第六二极管的阳极和所述开关管的漏极相连。
进一步地，所述第六二极管的阴极分别与所述第四二极管的阳极和所述第四电容的一端相连。
进一步地，所述第四电容的另一端分别与所述耦合电感副边绕组的一端、所述第一电容的一端和所述第五电容的一端相连。
进一步地，所述第五电容的另一端分别与所述第三二极管的阳极和所述第五二极管的阴极相连。
进一步地，所述耦合电感副边绕组的另一端分别于所述稳压电容的一端、所述第二电容的一端、所述第三电容的一端、所述第六电容的一端、所述第四二极管的阴极、所述第五二极管的阳极相连。
进一步地，所述第三电容的另一端分别与所述第一二极管的阳极和所述第三二极管的阴极相连。
进一步地，所述第一二极管的阴极分别与所述第二二极管的阳极和所述第一电容的另一端相连。
进一步地，所述第二二极管的阴极分别与所述第二电容的另一端和所述输出整流二极管的阳极相连。
进一步地，所述输出整流二极管的阴极分别与所述稳压电容的另一端和负载电阻的一端相连；所述第六电容的另一端、所述开关管的源极和所述负载电阻的另一端均与所述输入电源的负极相连。
请参阅图1，O为参考零点电压，耦合电感原边绕组L1的等效电路为漏感
Figure GDA0003492355750000051
和励磁电感LM，原边理想变压器匝数为N1，副边理想变压器匝数为N2，N为耦合电感原边线圈与副边线圈匝数比。
输入电源Vin的电流为iin，输入电源Vin的电压为Vin，耦合电感原边绕组L1的电流为
Figure GDA0003492355750000052
耦合电感原边绕组L1两侧的电压为
Figure GDA0003492355750000053
耦合电感原边绕组L1的漏感
Figure GDA0003492355750000054
的电流为
Figure GDA0003492355750000055
耦合电感原边绕组L1的漏感
Figure GDA0003492355750000056
两侧的电压为
Figure GDA0003492355750000057
耦合电感副边绕组L2的电流为
Figure GDA0003492355750000058
耦合电感副边绕组L2两侧的电压为
Figure GDA0003492355750000059
输出整流二极管Do的电流为
Figure GDA00034923557500000510
输出整流二极管Do两端的电压为
Figure GDA00034923557500000511
流过开关管S的电流为iS，开关管S漏源两端的电压为VDS，开关管S栅源两端的电压为VGS。
第一二极管D1的电流为
Figure GDA00034923557500000512
第一二极管D1两端的电压为
Figure GDA00034923557500000513
第二二极管D2的电流为
Figure GDA00034923557500000514
第二二极管D2两端的电压为
Figure GDA00034923557500000515
第三二极管D3的电流为
Figure GDA00034923557500000516
第三二极管D3两端的电压为
Figure GDA00034923557500000517
第四二极管D4的电流为
Figure GDA00034923557500000518
第四二极管D4两端的电压为
Figure GDA00034923557500000519
第五二极管D5的电流为
Figure GDA00034923557500000520
第五二极管D5两端的电压为
Figure GDA00034923557500000521
第六二极管D6的电流为
Figure GDA00034923557500000522
第六二极管D6两端的电压为
Figure GDA00034923557500000523
第一电容C1的电流为
Figure GDA00034923557500000524
第一电容C1两端的电压为
Figure GDA00034923557500000525
第二电容C2的电流为
Figure GDA00034923557500000526
第二电容C2两端的电压为
Figure GDA00034923557500000527
第三电容C3的电流为
Figure GDA00034923557500000528
第三电容C3两端的电压为
Figure GDA00034923557500000529
第四电容C4的电流为
Figure GDA00034923557500000530
第四电容C4两端的电压为
Figure GDA00034923557500000531
第五电容C5的电流为
Figure GDA00034923557500000532
第五电容C5两端的电压为
Figure GDA00034923557500000533
第六电容C6的电流为
Figure GDA00034923557500000534
第六电容C6两端的电压为
Figure GDA00034923557500000535
稳压电容Co的电流为
Figure GDA00034923557500000536
稳压电容Co两端的电压为
Figure GDA00034923557500000537
负载电阻R的电流为io。
在通过开关管构造三电平变换器时，稳压电容Co两端的电压等于第六电容两端的电压，或者第二电容两端的电压等于第六电容两端的电压；还可以将耦合电感原边绕组与副边绕组的线圈比N调整为1。
针对第一子电路，当开关管S导通时，耦合电感原边绕组L1和第四电容C4储能；当开关管S关断时，输入电源Vin、耦合电感原边绕组L1、第四电容C4和耦合电感副边绕组L2串行连接，给第六电容C6充电，第六电容C6的电压等于Vin、L1、L2和C4的电压之和。
针对第二子电路，当开关管S导通时，耦合电感副边绕组L2和第五电容C5给第三电容C3充电，第三电容C3的电压等于L2和C5的电压之和，同时耦合电感副边绕组L2和第一电容C1串联给第二电容C2充电；当开关管S关断时，第二电容C2通过输出整流二极管Do给稳压电容Co充电，第二电容C2的电压转移到稳压电容Co上。此时，若稳压电容Co两端的电压等于第六电容C6两端的电压，或者第二电容C2两端的电压等于第六电容C6两端的电压，则可以得到升压三电平变换器。
第一子电路与第二子电路相互联系，相互约束。
将第六电容C6的另一端、所述开关管S的源极和所述负载电阻R的另一端均与所述输入电源的负极相连，有效地解决了传统三电平不供地引起***不安全的技术问题。
本申请实施例中的基于升压公式的单开关Boost三电平变换器可以划分多种不同的工作模态：
第一种工作模态，请参阅图2，开关管S导通，输入电源Vin给耦合电感原边绕组L1的磁化电感LM和漏感LK充电，使得流过耦合电感原边绕组L1的磁化电感LM和漏感LK的电流线性增大。同时，耦合电感副边绕组L2工作中在续流阶段，流过它的电流减小；并且，耦合电感副边绕组L2分别和输入电源Vin、耦合电感原边绕组L1、第四电容C4串联，给第六电容C6充电；耦合电感副边绕组L2同时给第五电容C5充电。此外，耦合电感副边绕组L2还与第三电容C3串联，给第一电容C1充电。输入电源Vin与耦合电感原边绕组L1、第四电容C4、耦合电感副边绕组L2和第二电容C2串联，一起给负载R供电。
第二种工作模态，请参阅图3，开关管S导通，耦合电感副边绕组L2续流结束，L2的电流开始增大。耦合电感副边绕组L2通过第四二极管D4给第四电容C4充电；同时耦合电感副边绕组L2与第五电容C5、第一电容C1串联，分别给第三电容C3、第二电容C2充电。第六电容与稳压电容串联，一起给负载R供电。
在此工作状态下，电路参数满足如下方程：
Figure GDA0003492355750000071
其中，
Figure GDA0003492355750000072
为开关管导通时，耦合电感原边绕组的电压。
第三种工作模态，请参阅图4，开关管S关断，耦合电感原边绕组L1开始放电，电流减小。储存在耦合电感原边绕组L1的漏感LK中的能量通过第六二极管D6、第四电容C4、第五电容C5、第三电容C3释放到第六电容C6中。因此，第四电容C4、第五电容C5、第三电容C3和第六电容C6采用串联的连接方式钳位耦合电感原边绕组L1和开关管S，从而抑制耦合电感原边绕组L1和开关管S的电压尖峰。同时，耦合电感副边绕组L2工作在续流模态，电流减小。耦合电感副边绕组L2依然与第五电容C5串联，并通过第三二极管D3给第三电容C3充电；耦合电感副边绕组L2还与第一电容C1串联给第二电容C2充电。当耦合电感副边绕组L2的电流减小到零时，该模态结束。
第四种工作模态，请参阅图5，第五二极管D5、第一二极管D1和输出整流二极管D0零电流导通。输入电源Vin与耦合电感原边绕组L1、第四电容C4、耦合电感副边绕组L2和第二电容C2串联，给第六电容C6充电；同时耦合电感副边绕组L2通过第五二极管D5给第五电容C5充电。因此第四电容C4、第五电容C5和第六电容C6间接给耦合电感原边绕组L1和开关管C6钳位，镇压耦合电感原边绕组L1和开关管C6的电压尖峰，同时存储耦合电感原边绕组L1的漏感LK的能量，从而提高升压变换器的效率。此外，耦合电感副边绕组L2与第三电容C3串联，并经过第一二极管D1给第一电容C1充电。同时，输入电源Vin与耦合电感原边绕组L1、第四电容C4、耦合电感副边绕组L2和第二电容C2串联，同时给负载R和稳压电容C0供电。当流过耦合电感原边绕组L1的漏感LK的电流减小到零时，该模态结束。
第五种工作模态，请参阅图6，第六二极管D6零电流关断，第六电容C6与第二电容C2串联给负载R供电。此外，耦合电感副边绕组L2依然通过第五二极管D5给第五电容C5充电；同时，耦合电感副边绕组L2依然与第三电容C3串联，并经过第一二极管D1给第一电容C1充电。当下一个开关周期来临，该模态结束。
在第四种和第五种模态下工作时，电路参数满足如下方程：
Figure GDA0003492355750000081
Figure GDA0003492355750000082
Figure GDA0003492355750000083
其中，
Figure GDA0003492355750000084
为开关管关断时，耦合电感原边绕组的电压。
根据以上所有电路参数满足的方程可以整理出如下方程：
Figure GDA0003492355750000085
Figure GDA0003492355750000086
升压三电平变换器的增益如下：
Figure GDA0003492355750000087
当N＝1，有方程如下：
Figure GDA0003492355750000088
因此，通过对耦合电感进行1：1的匝比设置，该变换器是个三电平变换器，同时变换器的电压增益为
Figure GDA0003492355750000089
可见变换器需要设置在N＝1的时候得到三电平变换器。
本申请实施例中的基于升压公式的单开关Boost三电平变换器按照第一种工作模态至第五种工作模态运行时，电路中开关管S栅源电压VGS、三电平变换器输出电压Vo、稳压电容C0两端电压
Figure GDA00034923557500000810
第六电容C6两端电压
Figure GDA00034923557500000811
耦合电感原边绕组L1两端电压
Figure GDA00034923557500000812
流过耦合电感原边绕组L1电流
Figure GDA00034923557500000813
耦合电感副边绕组L2两端电压
Figure GDA00034923557500000814
流过耦合电感副边绕组L2电流
Figure GDA00034923557500000815
第三二极管D3的电压
Figure GDA00034923557500000816
第三二极管D3的电流
Figure GDA00034923557500000817
第四二极管D4的电压
Figure GDA00034923557500000818
第四二极管D4的电流
Figure GDA00034923557500000819
的波形具体描述如图7-11所示，其中，图7是在输入电源Vin40V，占空比D为0.58时，输出电压Vo、稳压电容两端电压
Figure GDA00034923557500000820
和第六电容两端的电压
Figure GDA00034923557500000821
波形图；图8是在输入电源Vin40V，占空比D为0.58时，耦合电感原边绕组L1两端电压
Figure GDA00034923557500000822
流过耦合电感原边绕组L1电流
Figure GDA00034923557500000823
与开关管S栅源电压VGS波形图；图9是在输入电源Vin40V，占空比D为0.58时，耦合电感副边绕组L2两端电压
Figure GDA00034923557500000824
流过耦合电感副边绕组L2电流
Figure GDA00034923557500000825
与开关管S栅源电压VGS波形图；图10是在输入电源Vin40V，占空比D为0.58时，第三二极管D3的电压
Figure GDA0003492355750000091
第三二极管D3的电流
Figure GDA0003492355750000092
与开关管S栅源电压VGS波形图；图11是在输入电源Vin40V，占空比D为0.58时，第四二极管D4的电压
Figure GDA0003492355750000093
第四二极管D4的电流
Figure GDA0003492355750000094
与开关管S栅源电压VGS波形图。
本申请提供的基于升压公式的单开关Boost三电平变换器，既包括一个开关管，不存在多重级联BOOST变换器，通过单个开关管控制第一子电路和第二子电路的连通状态，调整电路的导通线，从而得到升压三电平变换器，电路所需元器件简单，易实现控制，可以提升效率，器件数量少，可以降低成本；采用单个开关也能避免三电平电压不平衡的问题。因此，本申请能够解决现有基于级联或者双开关的变换器导致电路器件数量增加，电路控制复杂化，且效率不高，成本高的技术问题。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以通过一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种基于升压公式的单开关Boost三电平变换器，其特征在于，包括：第一子电路和第二子电路，所述第一子电路与所述第二子电路串联；
所述第一子电路包括耦合电感原边绕组、开关管、第四二极管、第六二极管、第四电容和第六电容；
所述耦合电感原边绕组的另一端分别与所述第六二极管的阳极和所述开关管的漏极相连，所述第六二极管的阴极分别与所述第四二极管的阳极和所述第四电容的一端相连，所述第四电容的另一端分别与所述耦合电感副边绕组的一端、所述第一电容的一端和所述第五电容的一端相连；
所述第二子电路包括耦合电感副边绕组、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第五二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第五电容、输出整流二极管和稳压电容；
所述第五电容的另一端分别与所述第三二极管的阳极和所述第五二极管的阴极相连，所述耦合电感副边绕组的另一端分别与 所述稳压电容的一端、所述第二电容的一端、所述第三电容的一端、所述第六电容的一端、所述第四二极管的阴极、所述第五二极管的阳极相连，所述第三电容的另一端分别与所述第一二极管的阳极和所述第三二极管的阴极相连；
所述第一二极管的阴极分别与所述第二二极管的阳极和所述第一电容的另一端相连，所述第二二极管的阴极分别与所述第二电容的另一端和所述输出整流二极管的阳极相连，所述输出整流二极管的阴极分别与所述稳压电容的另一端和负载电阻的一端相连，所述第六电容的另一端、所述开关管的源极和所述负载电阻的另一端均与输入电源的负极相连；
所述开关管用于控制所述第一子电路和所述第二子电路的连接状态，构成升压三电平变换器。
2.根据权利要求1所述的基于升压公式的单开关Boost三电平变换器，其特征在于，输入电源的正极与所述耦合电感原边绕组的一端连接。
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