CN204442176U - 一种开关电感型准z源dc-dc变换器电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种开关电感型准Z源DC-DC变换器电路，该电路包括电压源，第一电感，第一二极管，第一电容，由第二电感、第三电感、第二二极管、第三二极管和第四二极管构成的开关电感阻抗网络，第二电容，开关管，第四电感，输出电容和负载。本实用新型以电压源，第一电感，第一电容和开关管依次串联构成第一级升压电路；以第二电容，开关电感阻抗网络和开关管依次串联构成第二级升压电路；以第四电感，输出电容和负载构成输出电路。整个电路结构简单，只用了一个开关管，具有较高的输出电压增益和较低的电容电压应力，电源电流和负载电流都连续，输出输入共地，且电路不存在启动冲击电流和开关管开通瞬间的冲击电流。

Description

一种开关电感型准Z源DC-DC变换器电路

技术领域

本实用新型涉及电力电子电路技术领域，具体涉及一种开关电感型准Z源DC-DC变换器电路。

背景技术

在燃料电池和光伏发电中，由于单个太阳能电池或者单个燃料电池提供的直流电压较低，一般只有几十伏左右，无法满足现有用电设备的用电需求，如在直流集中供电的LED驱动电路中需要几百伏的高直流输入电压，因而往往需要将多个电池串联起来达到所需的高电压。但这样一方面大大降低了整个***的可靠性，另一方面还需解决串联均压的问题。为此，需要能够把低电压转换为高电压的高增益DC-DC变换器。近几年提出的Z源DC-DC变换器是一种具有高电压增益的DC-DC变换器，但该电路具有较高的电容电压应力，其电容电压应力与输出电压相等，且其电源电流不连续，输出与输入不共地，电路启动时存在很大的启动冲击电流问题，因而限制了该电路在实际中的应用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种开关电感型准Z源DC-DC变换器电路，具体技术方案如下。

一种开关电感型准Z源DC-DC变换器电路，包括电压源、第一电感、第一二极管、第一电容、开关电感阻抗网络、第二电容、开关管、第四电感、输出电容和负载。所述开关电感阻抗网络由第二电感、第三电感、第二二极管、第三二极管和第四二极管构成；所述电压源、第一电感、第一电容和开关管依次串联构成第一级升压电路；所述第二电容、开关电感阻抗网络和开关管依次串联构成第二级升压电路；所述第四电感、输出电容和负载构成输出电路。

进一步地，所述电压源的正极与第一电感的一端连接；所述第一电感的另一端分别与第一二极管的阳极和第一电容的负极连接；所述第一二极管的阴极分别与第二电容的正极、第二电感的一端和第三二极管的阳极连接；所述第二电感的另一端分别与第二二极管的阳极和第四二极管的阳极连接；所述第二二极管的阴极分别与第三二极管的阴极和第三电感的一端连接；所述第四二极管的阴极分别与第三电感的另一端、第一电容的正极、开关管的漏极和第四电感的一端连接；所述第四电感的另一端分与输出电容的正极和负载的一端连接；所述电压源的负极分别与第二电容的负极、输出电容的负极、负载的另一端和开关管的源极连接。

与现有技术相比，本实用新型电路具有如下优点和技术效果：本实用新型整个电路结构简单，电压增益更高，电路中电容的电压应力不超过输出电压；对启动冲击电流具有很好的抑制作用，开关管开通瞬间，输出电容也不会对开关管产生冲击电流，提高了可靠性；且输入电源电流和负载电流都连续，输出与输入实现了共地，因而本实用新型电路更适合应用于燃料电池发电和光伏发电等新能源发电技术领域以及直流集中供电的LED驱动电源电路中。

附图说明

图1是本实用新型具体实施方式中的一种开关电感型准Z源DC-DC变换器电路。

图2a、图2b分别是图1所示一种开关电感型准Z源DC-DC变换器电路在其开关管S导通和关断时段的等效电路图。

图3a为本实用新型电路的增益曲线与基本升压电路的增益曲线的比较图。

图3b为图3a中本实用新型电路的增益曲线与基本升压电路的增益曲线在占空比d小于0.4内的比较图。

图4为本实用新型电路中的第一电容的电压和第二电容的电压分别与输出电压的比值随占空比d变化的情况。

图5为实例中开关电感型准Z源DC-DC变换器电路的主要工作波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施作进一步描述，但本实用新型的实施和保护不限于此，以下若有未特别详细说明之处，均是本领技术人员可参照现有技术实现的。

参考图1，本实用新型所述的一种开关电感型准Z源DC-DC变换器电路，其包括电压源V_i，第一电感L₁，第一二极管D₁，第一电容C₁，第二电容C₂，由第二电感L₂、第三电感L₃、第二二极管D₂、第三二极管D₃和第四二极管D₄构成的开关电感阻抗网络(如图1中虚线框所示)，开关管S，第四电感L₄，输出电容C_f和负载R_L。本实用新型所述一种开关电感型准Z源DC-DC变换器电路，所述电压源V_i、第一电感L₁、第一电容C₁和开关管S依次串联构成第一级升压电路；所述第二电容C₂、开关电感阻抗网络和开关管S依次串联构成第二级升压电路；所述第四电感L₄、输出电容C_f和负载R_L构成输出电路。开关管S导通时，所述第三二极管D₃和第四二极管D₄均导通，所述第一二极管D₁和第二二极管D₂均关断，所述电压源V_i与第一电容C₁一起对第一电感L₁充电储能；所述第二电容C₂分别给第二电感L₂和第三电感L₃充电储能；同时，第二电容C₂与第四电感L₄一起给输出电容C_f和负载R_L供电。当开关管S关断时，所述第一二极管D₁和第二二极管D₂均导通，所述第三二极管D₃和第四二极管D₄均关断，所述电压源V_i与第一电感L₁一起给第二电容C₂充电储能，形成回路；开关电感阻抗网络中的电感给第一电容C₁充电储能，形成回路；同时，电压源V_i与第一电感L₁、开关电感阻抗网络中的电感一起对第四电感L₄、输出电容C_f和负载R_L供电，形成回路。整个电路结构简单，只用了一个开关管，具有较高的输出电压增益和较低的电容电压应力，电源电流和负载电流都连续，输出与输入共地，且电路不存在启动电流冲击和开关管开通瞬间的冲击电流问题。

图1所示电路的具体连接如下：所述电压源的正极与第一电感的一端连接；所述第一电感的另一端分别与第一二极管的阳极和第一电容的负极连接；所述第一二极管的阴极分别与第二电容的正极、第二电感的一端和第三二极管的阳极连接；所述第二电感的另一端分别与第二二极管的阳极和第四二极管的阳极连接；所述第二极管的阴极分别与第三二极管的阴极和第三电感的一端连接；所述第四二极管的阴极分别与第三电感的另一端、第一电容的正极、开关管的漏极和第四电感的一端连接；所述第四电感的另一端分与输出电容的正极和负载的一端连接；所述电压源的负极分别与第二电容的负极、输出电容的负极、负载的另一端和开关管的源极连接。

图2a、图2b给出了本实用新型电路的工作过程图。图2a、图2b分别是开关管S导通和关断时段的等效电路图，图中实线表示变换器中有电流流过的部分，虚线表示变换器中无电流流过的部分。

本实用新型的工作过程如下：

阶段1，如图2a：开关管S导通，此时第三二极管D₃和第四二极管D₄均导通，第一二极管D₁和第二二极管D₂均关断。电路形成了四个回路，分别是：电压源V_i与第一电容C₁一起给第一电感L₁充电储能，形成回路；第二电容C₂对第二电感L₂进行充电储能，形成回路；第二电容C₂对第三电感L₃进行充电储能，形成回路；第二电容C₂与第四电感L₄一起对输出电容C_f和负载R_L供电，形成回路。

阶段2，如图2b：开关管S关断，此时第一二极管D₁和第二极管D₂均导通，第三二极管D₃和第四二极管D₄均关断。电路形成了三个回路，分别是：电压源V_i与第一电感L₁一起给第二电容C₂充电储能，形成回路；开关电感阻抗网络中的电感给第一电容C₁充电储能，形成回路；电压源V_i与第一电感L₁、开关电感阻抗网络中的电感一起对第四电感L₄、输出电容C_f和负载R_L供电，形成回路。

综上情况，设开关管S的导通占空比为d，开关周期为T_s。由于开关电感阻抗网络的对称性，即第二电感L₂与第三电感L₃的电感量相等。因此，有v_L2＝v_L3＝v_L，v_L2和v_L3分别是第二电感L₂和第三电感L₃的电压，并设定v_L为开关电感阻抗网络中电感的电压，v_L1和v_L4分别为第一电感L₁和第四电感L₄的电压,V_C1和V_C2分别为第一电容C₁和第二电容C₂的电压，v_S为开关管S漏极与源极之间的电压。在一个开关周期T_s内，令输出电压为V_o。当变换器进入稳态工作后，得出以下的电压关系推导过程。

开关管S导通期间，对应阶段1所述的工作情形，因此有如下公式：

v_L1＝V_i+V_C1      (1)

v_L2＝v_L3＝v_L＝V_C2      (2)

v_L4＝v_S-V_o＝-V_o      (3)开关管S导通时间为dT_s。

开关管S关断期间，对应阶段2所述的工作情形，因此有如下公式：

v_L1＝V_i-V_C2      (4)

$v_{L2}=v_{L3}=v_L=-\frac{1}{2}{V}_{C1}---\left(5\right)$

v_S＝V_C1+V_C2       (6)

v_L4＝v_S-V_o＝V_C1+V_C2-V_o       (7)开关管S关断时间为(1-d)T_s。

根据以上电路分析和开关电感阻抗网络的对称性，分别对电感L₁、电感L₂和电感L₃运用电感伏秒数守恒原理，并联立式(1)、(2)、(4)和(5)可得：

(V_i+V_C1)dT_s+(V_i-V_C2)(1-d)T_s＝0     (8)

$V_{C2}d{T}_s+(-\frac{1}{2}{V}_{C1})(1-d)T_s=0---\left(9\right)$

因而，可得第一电容C₁的电压V_C1和第二电容C₂的电压V_C2分别与电压源V_i之间的关系式为：

$V_{C1}=\frac{2d}{1-2d-d^2}{V}_i---\left(10\right)$

$V_{C2}=\frac{1-d}{1-2d-d^2}{V}_i---\left(11\right)$

结合式(3)和(7)，并对第四电感L₄应用电感伏秒数守恒原理，可得：

(-V_o)dT_s+(V_C1+V_C2-V_o)(1-d)T_s＝0      (12)

把式(10)和(11)代入式(12)，可得本实用新型电路的增益因子表达式为：

$G=\frac{V_o}{V_i}=\frac{1-d^2}{1-2d-d^2}---\left(13\right)$

又令电压V_S为开关管S关断时的漏极与源极间的电压，则由式(6)、(10)和(11)有：

$V_s=V_{C1}+V_{C2}=\frac{1+d}{1-2d-d^2}{V}_i---\left(14\right)$

由式(10)、(11)、(13)和(14)的分母可知，本实用新型电路中开关管S的导通占空比d的工作范围不能超过0.414。如图3a所示为本实用新型电路的增益曲线和基本升压电路的增益曲线随占空比d变化的比较图；图3b为图3a中本实用新型电路增益曲线与基本升压电路的增益曲线在占空比d小于0.4的范围内的比较图，图中实线表示本实用新型电路的增益曲线，虚线表示基本升压电路的增益曲线。由图可知，本实用新型电路在占空比d不超过0.4的情况下，增益G就可以达到非常高。因此，相比之下，本实用新型电路的增益是比较高的。

由式(10)、(11)和(13)可得本实用新型电路中的第一电容的电压V_C1和第二电容的电压V_C2分别与输出电压V_o的关系式为：

$V_{C1}=\frac{2d}{1-d^2}{V}_o---\left(15\right)$

$V_{C2}=\frac{1}{1+d}{V}_o---\left(16\right)$

如图4给出了本实用新型电路中第一电容的电压V_C1和第二电容的电压V_C2分别与输出电压V_o的比值随占空比d变化的情况。图中，实线表示第一电容的电压V_C1与输出电压V_o的比值随占空比d变化的曲线；虚线表示第二电容的电压V_C2与输出电压V_o的比值随占空比d变化的曲线。由图可看出，电容电压V_C1和V_C2的最大值在占空比d的允许工作范围内均不会超过输出电压V_o。因此，本实用新型电路中的电容电压应力比较低。

如图5所示为本实用新型电路工作时的主要波形图，图中V_g为开关管的驱动，i_L1、i_L2、i_L3和i_L4分别为第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃和第四电感L₄的电流。由于电感L₁的电流即为电源电流，电感L₄的电流即为负载电流，所以从图中可看出，电源电流和负载电流都是连续的。

另外，由于本实用新型电路本身拓扑结构的特点，当其启动时，第一电感L₁和开关电感阻抗网络中的第二电感L₂和第三电感L₃对启动冲击电流有抑制作用，有利于变换器的软启动，减少了对器件的冲击损害；同理，由于第四电感L₄的存在，所以在开关管开通瞬间，输出电容不会对开关管造成电流冲击。

综上所述，本实用新型电路具有较高的电压增益和较低的电容电压应力，只用了一个开关管，电源电流和负载电流都连续，输出与输入共地，且不存在启动冲击电流和开关管开通瞬间的冲击电流。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1. 一种开关电感型准Z源DC-DC变换器电路，其特征在于包括电压源（V_i）、第一电感（L₁）、第一二极管（D₁）、第一电容（C₁）、第二电容（C₂）、开关电感阻抗网络、开关管（S）、第四电感（L₄）、输出电容（C_f）和负载（R_L）；所述开关电感阻抗网络由第二电感（L₂）、第三电感（L₃）、第二二极管（D₂）、第三二极管（D₃）和第四二极管（D₄）构成；所述电压源（V_i）、第一电感（L₁）、第一电容（C₁）和开关管（S）依次串联构成第一级升压电路；所述第二电容（C₂）、开关电感阻抗网络和开关管（S）依次串联构成第二级升压电路；所述第四电感（L₄）、输出电容（C_f）和负载（R_L）构成输出电路。

2.根据权利要求1所述的一种开关电感型准Z源DC-DC变换器电路，其特征在于所述电压源（V_i）的正极与第一电感（L₁）的一端连接；所述第一电感（L₁）的另一端分别与第一二极管（D₁）的阳极和第一电容（C₁）的负极连接；所述第一二极管（D₁）的阴极分别与第二电容（C₂）的正极、第二电感（L₂）的一端和第三二极管（D₃）的阳极连接；所述第二电感（L₂）的另一端分别与第二二极管（D₂）的阳极和第四二极管（D₄）的阳极连接；所述第二二极管（D₂）的阴极分别与第三二极管（D₃）的阴极和第三电感（L₃）的一端连接；所述第四二极管（D₄）的阴极分别与第三电感（L₃）的另一端、第一电容（C₁）的正极、开关管（S）的漏极和第四电感（L₄）的一端连接；所述第四电感（L₄）的另一端分别与输出电容（C_f）的正极和负载（R_L）的一端连接；所述电压源（V_i）的负极分别与第二电容（C₂）的负极、输出电容（C_f）的负极、负载（R_L）的另一端和开关管（S）的源极连接。

3.根据权利要求1所述的一种开关电感型准Z源DC-DC变换器电路，其特征在于：

当开关管（S）导通时，所述第三二极管（D₃）和第四二极管（D₄）均导通，所述第一二极管（D₁）和第二二极管（D₂）均关断，电压源（V_i）与第一电容（C₁）一起对第一电感（L₁）充电储能；所述第二电容（C₂）分别对第二电感（L₂）和第三电感（L₃）充电储能；同时，第二电容（C₂）与第四电感（L₄）一起给输出电容（C_f）和负载（R_L）供电；

当开关管（S）关断时，所述第一二极管（D₁）和第二二极管（D₂）均导通，所述第三二极管（D₃）和第四二极管（D₄）均关断，所述电压源（V_i）与第一电感（L₁）一起给第二电容（C₂）充电储能，形成回路；开关电感阻抗网络中的电感给第一电容（C₁）充电储能，形成回路；同时，电压源（V_i）与第一电感（L₁）、开关电感阻抗网络中的电感一起给第四电感（L₄）、输出电容（C_f）和负载（R_L）供电。