專利名稱：兩開關(guān)直流-直流升壓變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種兩開關(guān)直流-直流升壓變換器的拓撲結(jié)構(gòu)及其控制方法，屬電力電子技術(shù)中功率變換領(lǐng)域。技術(shù)背景
直流-直流升壓變換器在工業(yè)生活中得到了廣泛應(yīng)用，如在光伏或燃料電池并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，需要直流-直流升壓變換器把光伏或燃料電池等直流源電壓升高至一定的等級，來滿足后級并網(wǎng)逆變器的需要。常規(guī)的BOOST變換器或兩相交叉并聯(lián)BOOST變換器雖然都具有升壓功能，但它們的輸出電壓增益相對較小，當前端直流源輸入電壓較低時，盡管理論上可以通過設(shè)置更大的開關(guān)導通占空比來實現(xiàn)更大的輸出電壓，但這樣一方面會降低變換器的效率，另一方面當占空比增大到某一范圍時，由于功率電感和電路中其它寄生因素的影響，都會限制輸出電壓的進一步升高，甚至出現(xiàn)輸出電壓反而下降的情況。因此研究具有更大升壓變比的新型直流-直流升壓變換器，有著重要的理論意義和應(yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出一種兩開關(guān)直流-直流升壓變換器及其控制方法，電路拓撲結(jié)構(gòu)簡單，且容易控制實現(xiàn)，同時能有效減小輸入電流和輸出電壓的紋波，提高了變換器的性能。本發(fā)明的變換器與傳統(tǒng)的兩相并聯(lián)BOOST變換器相比，只增加了兩個中間儲能電容和一個功率二極管，即可實現(xiàn)上述的優(yōu)良工作特性。
本發(fā)明所述的兩開關(guān)直流-直流升壓變換器如附圖1所示，其特征在于
1) 一種兩開關(guān)直流-直流升壓變換器拓撲結(jié)構(gòu)，包括一個直流源輸入端，一個直流輸出端，第一升壓電感(Li)和第二升壓電感(L2)，第一可控的功率開關(guān)管(Si)和第二可控的功率開關(guān)管(S2)，第一中間儲能電容(Cl)和第二中間儲能電容(C2)，三個單向整流二極管(D1，D2，D3)，一個輸出濾波電容(C3)，濾波電容(O)兩端的電壓即為輸出電壓，濾波電容(C3)兩端接負載，具體連接方式為直流輸入電源(Vin)的正極分別與電感(Li、L2) 連接，第一電感(Li)的另一端分別與第一開關(guān)管(Si)的漏極和二極管(Dl)的陽極相連， 第二電感(U)的另一端分別與第二開關(guān)管(S》的漏極和二極管(擬)的陰極相連，中間儲能電容(Cl)的一端連接到第一開關(guān)管(Si)的漏極，(Cl)的另一端連接到二極管(D2)的陽極，中間儲能電容(C2)的一端連接到第二開關(guān)管(S2)的漏極，(C2)的另一端連接到二極管(Dl)的陰極，二極管(D3)的陽極與二極管(Dl)的陰極連接，輸出濾波電容(C3)的一端連接到二極管(D3)的陰極，濾波電容(C3)的另一端與二極管(D2)的陽極相連，從(C3) 的兩端引出輸出端接負載，開關(guān)管(Si)和(S2)的源極同時與直流輸入電源(Vin)的負極連接。
2)根據(jù)權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于中間儲能電容(Cl)的一端連接到第一開關(guān)管(Si)的漏極，電容(Cl)的另一端連接到二極管(D2)的陽極，二極管(D2)的陰極連接到第二開關(guān)管(S》的漏極。
3)根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的變換器，其特征在于中間儲能電容(以)的一端連接到第二開關(guān)管(S2)的漏極，電容(C2)的另一端連接到二極管(Dl)的陰極和二極管(D3)的陽極。4)根據(jù)權(quán)利要求1、2、3所述的變換器，其特征在于當采用互補控制兩個開關(guān)管時，本發(fā)明的變換器輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為t = ^^，且D< 1，D為開關(guān)管 (Si)的導通占空比。5)根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4所述的變換器，其特征在于當采用交叉移相180°控制兩個開關(guān)管時，本發(fā)明的變換器輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為^· = Γ^，且0.5SD < 1，D為開關(guān)管(Si)的導通占空比。本發(fā)明的變換器與傳統(tǒng)的BOOST或兩相交叉并聯(lián)BOOST電路相比，具有更高的電壓增益，控制方法簡單靈活，開關(guān)管的電壓應(yīng)力低，輸入電流紋波小等優(yōu)良的特點，非常適合于今后光伏發(fā)電，燃料電池發(fā)電等場合使用，具有較好的應(yīng)用和推廣前景。技術(shù)方案本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的1、如附圖1所示，本發(fā)明的一種兩開關(guān)直流-直流升壓變換器拓撲結(jié)構(gòu)，包括一個直流源輸入端，一個直流輸出端，第一升壓電感(Li)和第二升壓電感(L2)，第一可控的功率開關(guān)管(Si)和第二可控的功率開關(guān)管(S2)，第一中間儲能電容(Cl)和第二中間儲能電容(C2)，三個單向整流二極管(D1，D2，D3)，一個輸出濾波電容(C3)，濾波電容(O)兩端的電壓即為輸出電壓，濾波電容(O)兩端接負載，具體連接方式為直流輸入電源(Vin)的正極分別與電感(Li、L2)連接，第一電感(Li)的另一端分別與第一開關(guān)管(Si)的漏極和二極管(Dl)的陽極相連，第二電感(U)的另一端分別與第二開關(guān)管(S》的漏極和二極管 (D2)的陰極相連，中間儲能電容(Cl)的一端連接到第一開關(guān)管(Si)的漏極，(Cl)的另一端連接到二極管(D2)的陽極，中間儲能電容(C2)的一端連接到第二開關(guān)管(S2)的漏極， (C2)的另一端連接到二極管(Dl)的陰極，二極管(D3)的陽極與二極管(Dl)的陰極連接， 輸出濾波電容(O)的一端連接到二極管(D!3)的陰極，濾波電容(O)的另一端與二極管 (D2)的陽極相連，從03)的兩端引出輸出端接負載，開關(guān)管(Si)和(S2)的源極同時與直流輸入電源(Vin)的負極連接。本發(fā)明在輸入電感(Li)、(L2)電流工作在連續(xù)狀態(tài)或臨界連續(xù)狀態(tài)，當采用互補控制方法時，可以分為兩種工作模態(tài)，下面對本發(fā)明變換器的兩種工作模態(tài)進行詳細分析和說明工作模態(tài)1如附圖2所示，功率開關(guān)管(Si)導通，功率開關(guān)管(S2)關(guān)斷，此時二極管(Dl)、(D2)關(guān)斷，二極管(D3)導通。輸入電源電壓直接加到電感(Li)上，電感電流 iu線形增加。輸入電源與電感(L2)、中間儲能電容(Cl)和(C2)同時向負載端供電，此時二極管(D3)導通，流過電感(L2)的電流iL2線形減小，中間儲能電容(Cl)放電，中間儲能電容(C2)放電。工作模態(tài)2如附圖3所示，功率開關(guān)管(Si)關(guān)斷，功率開關(guān)管(S2)導通，此時二極管(Dl)、(D2)導通，二極管(D3)關(guān)斷。輸入電源電壓直接加到電感(L2)上，電感電流、 線形增加。電感(Li)和輸入電源一起通過二極管(Dl)向中間儲能電容(C2)充電，同時電感(Li)和輸入電源一起通過二極管(D2)向中間儲能電容(Cl)充電，電流iu線形減小，電容(O)向負載端提供能能量。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明的變換器具有更高的升壓變比，同時能有效降低功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力，輸入電流和輸出電壓的紋波也能得到有效控制，且控制電路的實現(xiàn)簡單。本發(fā)明的變換器既可作為一般直流-直流變換器使用，又可用于太陽能光伏電池和燃料電池的獨立發(fā)電或并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明的兩開關(guān)直流-直流升壓變換器的拓撲結(jié)構(gòu)圖。圖2是采用互補控制時本發(fā)明的兩開關(guān)直流-直流升壓變換器工作模態(tài)1的等效電路圖。圖3是采用互補控制時本發(fā)明的兩開關(guān)直流-直流升壓變換器工作模態(tài)2的等效電路圖。圖4是采用互補控制時本發(fā)明的兩開關(guān)直流-直流升壓變換器穩(wěn)態(tài)工作時直流源輸出電流，各電感電流，輸入和輸出電壓的仿真實驗波形圖，其中i是輸入直流源提供的輸出電流，iLl，iL2是流過電感Li，L2的電流，Vin，Vo對應(yīng)輸入電壓和輸出電壓。圖5是采用互補控制時本發(fā)明的兩開關(guān)直流-直流升壓變換器穩(wěn)態(tài)工作時各功率管電壓應(yīng)力的仿真實驗波形圖，其中VD1，VD2，VD3分別對應(yīng)二極管D1，D2，D3的電壓應(yīng)力； VSl，VS2分別對應(yīng)開關(guān)管Si，S2的電壓應(yīng)力波形。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖與具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了實施方式和操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。本實施例的兩個輸入電感(Li)、(L2)在電流連續(xù)或臨界狀態(tài)下工作，采用互補控制時本發(fā)明的變換器有兩種工作模態(tài)，下面對本實施例的兩種工作模態(tài)進行詳細分析，進一步推導本發(fā)明變換器在互補控制方法時的輸出與輸入電壓的變比。以下說明中，T為開關(guān)管(Si)、(S2)的開關(guān)周期，Ton為開關(guān)管(Si)在每個開關(guān)周期內(nèi)導通的時間、1； 為開關(guān)管(Si)在每個開關(guān)周期內(nèi)關(guān)斷的時間、D為功率開關(guān)管(Si) 的占空比，其中T。n = DT,Toff = (I-D)T，T。n+T。ff = Τ,由于本發(fā)明變換器的功率開關(guān)管(Si) 與(S2)工作在完全互補狀態(tài)，所以開關(guān)管(Si)在每個開關(guān)周期內(nèi)導通時、開關(guān)管(S2)關(guān)斷；當開關(guān)管(Si)在每個開關(guān)周期內(nèi)關(guān)斷時、開關(guān)管(S2)導通；工作模態(tài)1 此模態(tài)如附圖2所示，功率開關(guān)管(Si)導通，功率開關(guān)管(S2)關(guān)斷， 此時二極管(Dl)、(D2)關(guān)斷，二極管(D3)導通。輸入電源電壓直接加到電感(Li)上，電感電流iu線形增加。輸入電源與電感(L2)、中間儲能電容(Cl)和(C2)同時向負載端供電， 此時二極管(D3)導通，流過電感(L2)的電流、線形減小，中間儲能電容(Cl)放電，中間儲能電容((^)放電。該模態(tài)下的動態(tài)特性方程為
權(quán)利要求
1.一種兩開關(guān)直流-直流升壓變換器拓撲結(jié)構(gòu)，包括一個直流源輸入端，一個直流輸出端，第一升壓電感(Li)和第二升壓電感(L2)，第一可控的功率開關(guān)管(Si)和第二可控的功率開關(guān)管(S2)，第一中間儲能電容(Cl)和第二中間儲能電容(C2)，三個單向整流二極管 (D1, D2，D3)，一個輸出濾波電容(C3)，濾波電容(O)兩端的電壓即為輸出電壓，濾波電容 (C3)兩端接負載，具體連接方式為直流輸入電源(Vin)的正極分別與電感(L1、L2)連接， 第一電感(Li)的另一端分別與第一開關(guān)管(Si)的漏極和二極管(Dl)的陽極相連，第二電感(L2)的另一端分別與第二開關(guān)管(S2)的漏極和二極管(D2)的陰極相連，中間儲能電容 (Cl)的一端連接到第一開關(guān)管(Si)的漏極，(Cl)的另一端連接到二極管(D2)的陽極，中間儲能電容(C2)的一端連接到第二開關(guān)管(S2)的漏極，(C2)的另一端連接到二極管(Dl) 的陰極，二極管(D3)的陽極與二極管(Dl)的陰極連接，輸出濾波電容(C3)的一端連接到二極管(D3)的陰極，濾波電容(C3)的另一端與二極管(D2)的陽極相連，從(C3)的兩端引出輸出端接負載，開關(guān)管(Si)和(S2)的源極同時與直流輸入電源(Vin)的負極連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于中間儲能電容(Cl)的一端連接到第一開關(guān)管(Si)的漏極，電容(Cl)的另一端連接到二極管(D2)的陽極，二極管(D2)的陰極連接到第二開關(guān)管(S2)的漏極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的變換器，其特征是當采用互補控制兩個開關(guān)管時，電壓增益為^"=5^，且0<1，0為開關(guān)管(si)的導通占空比。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3所述的變換器，其特征是當采用交叉移相180°控制兩個開關(guān)管時，電壓增益為| = 7^，且0.5彡D< 1，D為開關(guān)管(Si)的導通占空比，開關(guān)管(S2) 的導通占空比也為D。
全文摘要
一種兩開關(guān)直流-直流升壓變換器拓撲結(jié)構(gòu)，具有較高升壓能力，且能有效降低各功率管的電壓應(yīng)力，屬于直流變換器技術(shù)領(lǐng)域，它包括一個直流源輸入端，一個直流輸出端，第一升壓電感L1和第二升壓電感L2，第一可控的功率開關(guān)管S1和第二可控的功率開關(guān)管S2，第一中間儲能電容C1和第二中間儲能電容C2，三個單向整流二極管D1，D2，D3，一個輸出濾波電容C3，濾波電容C3兩端的電壓即為輸出電壓，濾波電容兩端接負載。與傳統(tǒng)的單相升壓變換器或兩相交叉并聯(lián)升壓變換器相比，該變換器能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電壓對輸入電壓的更高升壓變比，且能減小各功率開關(guān)和二極管的峰值電壓應(yīng)力，有利于實現(xiàn)較高的功率變換。
文檔編號H02M3/155GK102510213SQ201110345099
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月4日
發(fā)明者章家?guī)r, 胡雪峰, 高龍 申請人:安徽工業(yè)大學