CN205178878U - 一种含倍压单元的单开关高增益变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种含倍压单元的单开关高增益变换器。该变换器由QBC电路与开关电容电感倍压单元组合而成。包括直流输入电源（V_in），输入电感(L_in)，两个中间储能电感（L₁、L₂），一个储能电容（C₁），一个可控的功率开关管（Q），三个续流二极管（D₁、D₂、D₄），一个箝位二极管（D₃），三个倍压储能电容（C₂、C₃、C₄），一个输出二极管（D₀），一个输出滤波电容（C₀）。与传统Boost电路相比，本实用新型提出的组合变换器，大幅度提高了电压增益。Boost电路占空比接近于1时才能实现10倍的电压增益，而本实用新型的变换器在占空比为0.5左右时就能够使电压增益达到10倍以上，避免了极限占空比造成的开关管压力，提高了升压效率；其次，开关管的电压、电流应力减小；由箝位二极管和储能电容组成的无源无损吸收电路可以减小开关管的电压尖峰，降低开关管损耗，提高了变换器的整体效率。

Description

一种含倍压单元的单开关高增益变换器

技术领域

本发明涉及电力电子领域的直流—直流变换器领域，具体的说，涉及一种含倍压单元的单开关高增益变换器。

背景技术

在新能源发电领域，光伏电池板和蓄电池的输出电压都比较低，而母线电压却达到400伏左右。如果需要并网发电，就要求前级的直流升压变换器的电压增益在10倍以上。因此需要一级高效率、高升压比变换器把光伏电池板或蓄电池输出电压升到可以并网的电压等级。

传统Boost变换器电压增益低，如果要达10倍以上，脉冲占空比接近于1；升压电感电流纹波较大，且开关管电压应力近似等于输出，关断电压也很大。因此，开关管的导通和关断损耗都很大，导致变换器效率很低。近年来，在传统Boost电路基础上结合其他电路的高增益特点，提出了许多高增益变换器：如开关电容变换器，提高了电压增益，但是其输入电感电流存在很大的脉冲，且输出稳压能力较差；如采用开关电容电感单元提高变换器增益，为降低开关管电压应力，需要多个开关管工作，增加了变换器整体体积成本；采用耦合电感可以大幅度提高了变换器电压增益，减小了开关管电压应力，但是耦合电感中间漏感的能量需要设计能量回收电路，否则效率较低。

实用新型内容

1.本实用新型要解决的技术问题

本实用新型目的是基于以上缺陷，结合QBC电路和开关电容电感元升压优势，提出一种新型的含倍压单元的单开关高增益变换器。

2.适用场所

本实用新型适用于光伏发电***、蓄电池并网技术等需要使用高增益变换器的电力电子技术领域。

3.技术方案

为了达到以上目的，本实用新型提出的技术方案是：一种含倍压单元的单开关、高增益变换器，由提出的QBC电路和倍压单元组合而成，包括直流输入电源，输入电感，第一储能电感和第二储能电感，储能电容，可控的功率开关管，第一续流二极管，第二续流二极管，第三续流二极管，箝位二极管，第一倍压储能电容，第二倍压储能电容，第三倍压储能电容，输出二极管，输出滤波电容；

直流输入电源的正极与输入电感的一端相连，负极与储能电容的一端和功率开关管的源极相连，输入电感的另一端分别与第一续流二极管的正极和第二续流二极管的正极相连，第一续流二极管的负极与功率开关管的漏极和箝位二极管的正极以及第一倍压储能电容的一端相连，第二续流二极管的负极与第一储能电感的一端和储能电容的一端相连，储能电感的另一端与功率开关管的漏极相连，箝位二极管的负极与第二储能电感的一端和第二倍压储能电容的一端以及第三续流二极管的正极相连，第二倍压储能电容的另一端与功率开关管的源极相连，第二储能电感的另一端则与第一倍压电容的另一端和第三倍压储能电容的一端相连，第三倍压储能电容的另一端则与第三续流二极管的负极和输出二极管的正极相连，输出二极管的负极与输出滤波电容的正极相连，输出滤波电容的负极则连到功率开关管的源极上，输出滤波电容的两端接负载，输出滤波电容两端的电压即输出电压。

本实用新型在输入电感和储能电感都处于电感电流连续状态时有两种工作模态：

工作模态1：开关管导通，输入电源和储能电容分别给输入电感和第一中间储能电感充电，第二倍压储能电容分别给第二储能电感、第一倍压储能电容和第三倍压储能电容充电。

工作模态2：开关管关断，输入电感和第一、第二储能电感放电，中间储能容充电，第一、第三倍压储能电容放电，第二倍压储能电容充电。

4.有益效果

(1)采用本实用新型提出的方案，与传统Boost电路相比，大幅度提高了电压增益，减小了开关管电压应力，提高了变换器整体效率。并且由箝位二极管和中间储能电容组成无源无损吸收箝位电路，降低了开关管关断时的电压尖峰，减少了开关管关断损耗，提高了变换器效率。

(2)与其他高增益变换器相比，采用电感非隔离式结构，仅需要一个开关管，拓扑结构简单易于控制。

附图说明

图1是本实用新型提出的一种含倍压单元的单开关高增益变换器的拓扑结构图；

图2是本实用新型提出的一种含倍压单元的单开关高增益变换器的工作模态1的等效电路图；

图3是本实用新型提出的一种含倍压单元的单开关高增益变换器的工作模态2的等效电路图。

图中的标号说明：

V_in：直流输入电源；L_in：输入电感；L₁：第一储能电感；L₂：第二储能电感；C₁：储能电容；Q：可控的功率开关管；D₁：第一续流二极管；D₂：第二续流二极管；D₄：第三续流二极管；D₃：箝位二极管；C₂：第一倍压储能电容；C₃：第二倍压储能电容；C₄：第三倍压储能电容；D₀：输出二极管；C₀：输出滤波电容；R：负载电阻。

具体实施方式

下面是结合实施例和附图对本实用新型作进一步的详细的说明。

由QBC电路和倍压单元组合而成，包括直流输入电源(V_in)，输入电感(L_in)，两个储能电感(L₁、L₂)，一个储能电容(C₁)，一个可控的功率开关管(Q)，三个续流二极管(D₁、D₂、D₄)，一个箝位二极管(D₃)，三个倍压储能电容(C₂、C₃、C₄)，一个输出二极管(D₀)，一个输出滤波电容(C₀)，负载R；

所述的直流输入电源V_in的正极与输入电感L_in的一端相连，负极与储能电容C₁的一端和功率开关管Q的源极相连，输入电感L_in的另一端分别于第一续流二极管D₁和第二续流二极管D₂的正极相连，第一续流二极管D₁的负极与功率开关管Q的漏极和箝位二极管D₃的正极以及第一倍压储能电容C₂的一端相连，第二续流二极管D₂的负极与第一储能电感L₁的一端和储能电容C₁的一端相连，第一储能电感L₁的另一端与功率开关管Q的漏极相连，箝位二极管D₃的负极与第二储能电感L₂的一端和第二倍压储能电容C₃的一端以及第三续流二极管D₄的正极相连，第二倍压储能电容C₃的另一端与功率开关管Q的源极相连，第二储能电感L₂的另一端则与第一倍压储能电容C₂的另一端和第三倍压储能电容C₄的一端相连，第三倍压储能电容C₄的另一端则与第三续流二极管D₄的负极和输出二极管(D₀)的正极相连，输出二极管D₀的负极与输出滤波电容C₀的正极相连，输出滤波电容C₀的负极则连到功率开关管Q的源极上，输出滤波电容C₀的两端接负载R。

本实用新型提出的一种含倍压单元的单开关高增益变换器，在输入电感和中间储能电感都处于电感电流连续状态时，包括两个工作模态，详细分析如下：

工作模态1：

图2为此模态的电流流通回路。驱动脉冲信号加在开关管Q上，开关管导通。二极管D₂，D₃、D₀分别因为电压V_C1、V_C3和V₀-V_C3而反向截止，只有二极管D₁、D₄导通。输入电压V_in和电容电压V_C1分别给输入电感L_in和L₁充电，电流i_Lin和i_L1线性上升。C₃通过电感L₂给C₂充电，电感电流i_L2上升；同时C₃通过二极管D₄给C₄充电。输出电容C₀持续为负载供电。

工作模态2：

图3为此模态的电流流通回路。开关管关断，二极管D₂、D₃、D₀为输入电感L_in和储能电感L₁、L₂提供放电回路而导通；二极管D₁、D₄分别承受反向电压V_L1、V₀-V_C3被截止。输入电源V_in和输入电感L_in通过二极管D₂给储能电容C₁充电，充电电流即电感电流i_Lin线性下降；储存在电感L₁中的能量通过D₃给电容C₃充电；储存在电感L₂中的能量通过D₀给输出电容C₀充电，从而给负载供电。电容C₂和C₃串联给输出负载供电。直到开关管重新导通，进入下一个开关周期。

稳态时电压增益分析：

开关管导通，储能电感L_in、L₂和L₃分别充电，电感两端的电压为：

V_L1＝V_in(1)

V_L2＝V_C1(2)

V_L3＝V_C3-V_C2(3)

中间倍压储能电容C₃分别给并联中间倍压电容C₂、C₄充电：

V_C3＝V_C2+V_C4(4)

开关管关断时，三个储能电感放电，电感两端电压为：

V_Lin＝V_in-V_C1(5)

V_L1＝V_C1-V_C3(6)

V_L2＝-V_C2(7)

中间倍压储能电容C2和C4串联放电：

V₀＝V_C2+V_C3+V_C4(8)

设开关周期为T_S，占空比为D。根据电感的伏秒平衡原理，由(1)～(3)和(5)～(7)可得：

DT_SV_in+(1-D)T_S(V_in-V_C1)＝0(9)

DT_SV_C1+(1-D)T_S(V_C1-V_C3)＝0(10)

DT_SV_C4+(1-D)T_S(-V_C2)＝0(11)

联立(4)和(8)以及(9)～(11)可得本实用新型提出的变换器电压增益为：

$M=\frac{V_0}{V_{in}}=\frac{2}{{(1-D)}^2}---\left(12\right)$

由式(12)可知，与传统Boost电路相比，本实用新型提出的变换器的电压增益有大幅度提高；与QBC电路相比，电压增益是QBC变换器的2倍。在占空比为0.5左右时，就能够实现10倍的电压增益，对电压增益要求较高的场合有重要的理论价值和实际参考意义。

Claims (4)

1.一种含倍压单元的单开关高增益变换器，其特征在于：

由QBC电路和倍压单元组合而成，包括直流输入电源V_in，输入电感L_in，两个中间储能电感L₁和L₂，一个储能电容C₁，一个可控的功率开关管Q，三个续流二极管D₁、D₂和D₄，一个箝位二极管D₃，三个倍压储能电容C₂、C₃和C₄，一个输出二极管D₀，一个输出滤波电容C₀，负载；

所述的直流输入电源V_in的正极与输入电感L_in的一端相连，负极与储能电容C₁的一端和功率开关管Q的源极相连，输入电感L_in的另一端分别与续流二极管D₁和D₂的正极相连，续流二极管D₁的负极与功率开关管Q的漏极和箝位二极管D₃的正极以及倍压储能电容C₂的一端相连，续流二极管D₂的负极与储能电感L₁的一端和储能电容C₁的一端相连，储能电感L₁的另一端与功率开关管Q的漏极相连，箝位二极管D₃的负极与储能电感L₂的一端和倍压储能电容C₃的一端以及续流二极管D₄的正极相连，倍压储能电容C₃的另一端与功率开关管Q的源极相连，储能电感L₂的另一端则与倍压储能电容C₂的另一端和倍压储能电容C₄的一端相连，倍压储能电容C₄的另一端则与续流二极管D₄的负极和输出二极管D₀的正极相连，输出二极管D₀的负极与输出滤波电容C₀的正极相连，输出滤波电容C₀的负极则连到功率开关管Q的源极上，输出滤波电容C₀的两端接负载。

2.根据权利要求1提出的一种含倍压单元的单开关高增益变换器，其特征在于变换器只需一个开关管，结构简单且易于控制。

3.根据权利要求1提出的一种含倍压单元的单开关高增益变换器，其特征在于基于QBC电路和倍压单元的高增益特性，当占空比为0.5时，变换器的输出电压增益可达到10倍以上。

4.根据权利要求1提出的一种含倍压单元的单开关高增益变换器，其特征在于由倍压储能电容和箝位二极管组成的无源无损吸收电路，可降低开关管关断瞬间的电压尖峰。