一種改進(jìn)型h橋升降壓直流變換器及其控制方法
【專利摘要】本技術(shù)方案公開了一種改進(jìn)型H橋升降壓直流變換器及其控制方法，屬于電力電子變換器【技術(shù)領(lǐng)域】。該變換器由輸入源(Vin)、第一開關(guān)管(S1)、第二開關(guān)管(S2)、第一變壓器(T1)、第三開關(guān)管(S3)、第四開關(guān)管(S4)、第一電容(C1)、第一二極管(D1)、第五開關(guān)管(S5)、第二電容(C2)和負(fù)載(Ro)構(gòu)成；本改進(jìn)型H橋升降壓直流變換器適合寬輸入電壓范圍升降壓變換應(yīng)用場合。
【專利說明】一種改進(jìn)型H橋升降壓直流變換器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本技術(shù)方案涉及一種改進(jìn)型H橋升降壓直流變換器及其控制方法，屬于電力電子變換器【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]升降壓直流變換器在光伏發(fā)電系統(tǒng)、可再生能源供電系統(tǒng)、蓄電池充放電等電壓寬范圍變化的場合具有廣泛的應(yīng)用前景。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，由于光伏電池的輸出電壓隨外界環(huán)境條件的變化存在較大范圍的波動(dòng)，因此前級直流-直流變換器(光伏優(yōu)化器)需要適應(yīng)寬范圍變化輸入電壓的要求。
[0003]傳統(tǒng)的單開關(guān)管升降壓直流變換器，如Buck/B00St、Flyback、SEPIC和Cuk變換器等，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)升降壓變換的功能，但它們存在諸如器件應(yīng)力高、體積重量大、輸入輸出反極性等問題，限制了它們在某些場合的應(yīng)用。
[0004]附圖1所示H橋升降壓直流變換器只使用一個(gè)電感，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡潔、功率密度高，在光伏發(fā)電等新能源系統(tǒng)中獲得較為廣泛的應(yīng)用。而在某些應(yīng)用場合如光伏發(fā)電、蓄電池充電等，可能存在極端升降壓變換情況，如升壓范圍較大而降壓范圍較小或降壓范圍較大而升壓范圍較小。當(dāng)升壓范圍較大而降壓范圍較小時(shí)，若采用附圖1所示的H橋升降壓變換器，則在最低電壓點(diǎn)升壓變換時(shí)需要極端占空比才能滿足較大的電壓增益輸出，影響變換器的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本技術(shù)方案針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種改進(jìn)型H橋升降壓直流變換器及其控制方法。具體如下:
[0006]一種改進(jìn)型H橋升降壓直流變換器，由輸入源Vin、第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2、第一變壓器T1、第三開關(guān)管S3、第四開關(guān)管S4、第一電容C1、第一二極管D1、第五開關(guān)管S5、第二電容C2和負(fù)載R。構(gòu)成；其中，
[0007]輸入源Vin的正極連于第一開關(guān)管S1的漏極，第一開關(guān)管S1的源極連于第二開關(guān)管S2的漏極和第一變壓器T1原邊繞組Np的同名端，第一變壓器T1原邊繞組Np的非同名端連于第三開關(guān)管S3的漏極和第四開關(guān)管S4的源極，第四開關(guān)管S4的漏極連于第一電容C1的一端、第二電容C2的一端和第一變壓器T1副邊繞組Ns的同名端，第一變壓器T1副邊繞組Ns的非同名端連于第一二極管D1的陽極，第一二極管D1的陰極連于第五開關(guān)管S5的漏極，第五開關(guān)管S5的源極連于第二電容C2的另一端和負(fù)載R。的一端，負(fù)載R。的另一端連于第一電容C1的另一端、第三開關(guān)管S3的源極、第二開關(guān)管S2的源極和輸入源Vin的負(fù)極。
[0008]上述改進(jìn)型H橋升降壓直流變換器的控制方法，所述第一開關(guān)管S1和第二開關(guān)管S2互補(bǔ)導(dǎo)通，第三開關(guān)管S3和第四開關(guān)管S4互補(bǔ)導(dǎo)通；在本變換器處于降壓模式，第一開關(guān)管S1和第二開關(guān)管S2高頻開關(guān)工作，第三開關(guān)管S3保持關(guān)斷而第四開關(guān)管S4保持導(dǎo)通，同時(shí)第五開關(guān)管S5保持關(guān)斷；在本變換器處于升壓模式，第三開關(guān)管S3和第四開關(guān)管S4高頻開關(guān)工作，第一開關(guān)管S1保持導(dǎo)通而第二開關(guān)管S2保持關(guān)斷，同時(shí)第五開關(guān)管S5保持導(dǎo)通。
[0009]本技術(shù)方案中，所述開關(guān)管優(yōu)選場效應(yīng)管。
[0010]基于上述控制方法的改進(jìn)型H橋升降壓直流變換器，不需要極端占空比，通過調(diào)整變壓器匝數(shù)比，可以實(shí)現(xiàn)較高的電壓增益。
[0011 ] 本技術(shù)方案具有如下技術(shù)效果:
[0012](I)輸入輸出可以實(shí)現(xiàn)寬范圍升降壓變換；
[0013](2)在極端升降壓變換場合，可以不需要極端占空比就獲得較大的電壓增益，提高了變換器的效率；
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]附圖1是傳統(tǒng)的H橋升降壓直流變換器電路原理圖；
[0015]附圖2是本改進(jìn)型H橋升降壓直流變換器電路原理圖；
[0016]附圖3是本改進(jìn)型H橋升降壓直流變換器在降壓下的等效電路圖；
[0017]附圖4是本改進(jìn)型H橋升降壓直流變換器在升壓下的等效電路圖；
[0018]附圖5 (a)和(b)是本改進(jìn)型H橋升降壓直流變換器在升壓模式時(shí)各開關(guān)模態(tài)下的等效電路圖；在具體實(shí)施例中，圖5 (a)為開關(guān)|吳態(tài)I下的等效電路圖，圖5 (b)為開關(guān)模態(tài)2下的等效電路圖；
[0019]以上附圖中的符號名稱:Vin為輸入源J1為第一變壓器A、S2、S3> S4和S5分別為第一、第二、第三、第四和第五開關(guān)管辦為第一二極管；CdPC2分別為第一、第二電容；R。為負(fù)載；v。為輸出電壓。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對本技術(shù)方案的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0021]如附圖2所示，本技術(shù)方案所述改進(jìn)型H橋升降壓直流變換器由輸入源Vin、第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2、第一變壓器T1、第三開關(guān)管S3、第四開關(guān)管S4、第一電容C1、第一二極管D1、第五開關(guān)管S5、第二電容C2和負(fù)載R。構(gòu)成；其中，輸入源Vin的正極連于第一開關(guān)管S1的漏極，第一開關(guān)管S1的源極連于第二開關(guān)管S2的漏極和第一變壓器T1原邊繞組Np的同名端，第一變壓器T1原邊繞組Np的非同名端連于第三開關(guān)管S3的漏極和第四開關(guān)管S4的源極，第四開關(guān)管S4的漏極連于第一電容C1的一端、第二電容C2的一端和第一變壓器T1副邊繞組Ns的同名端，第一變壓器T1副邊繞組Ns的非同名端連于第一二極管D1的陽極，第一二極管D1的陰極連于第五開關(guān)管S5的漏極，第五開關(guān)管S5的源極連于第二電容C2的另一端和負(fù)載R。的一端，負(fù)載R。的另一端連于第一電容C1的另一端、第三開關(guān)管S3的源極、第二開關(guān)管S2的源極和輸入源Vin的負(fù)極。
[0022]基于上述改進(jìn)型H橋升降壓直流變換器的控制方法，所述第一開關(guān)管S1和第二開關(guān)管S2互補(bǔ)導(dǎo)通，第三開關(guān)管S3和第四開關(guān)管S4互補(bǔ)導(dǎo)通；
[0023]在降壓模式:第一開關(guān)管S1和第二開關(guān)管S2高頻開關(guān)工作，第三開關(guān)管S3保持關(guān)斷而第四開關(guān)管S4保持導(dǎo)通，同時(shí)第五開關(guān)管S5保持關(guān)斷；
[0024]在升壓模式:第三開關(guān)管S3和第四開關(guān)管S4高頻開關(guān)工作，第一開關(guān)管S1保持導(dǎo)通而第二開關(guān)管S2保持關(guān)斷，同時(shí)第五開關(guān)管S5保持導(dǎo)通。
[0025]基于上述控制方法的改進(jìn)型H橋升降壓直流變換器，不需要極端占空比，通過調(diào)整變壓器匝數(shù)比，可以實(shí)現(xiàn)較高的電壓增益。
[0026]根據(jù)輸入、輸出電壓關(guān)系，本改進(jìn)型H橋升降壓直流變換器主要有兩種降壓和升壓模式，下面結(jié)合附圖3~5，詳細(xì)介紹其工作過程。
[0027]降壓模式下，第一開關(guān)管S1和第二開關(guān)管S2高頻開關(guān)工作，第三開關(guān)管S3保持關(guān)斷而第四開關(guān)管S4保持導(dǎo)通，同時(shí)第五開關(guān)管S5保持關(guān)斷，本技術(shù)方案改進(jìn)型H橋升降壓直流變換器等效成傳統(tǒng)的Buck變換器，等效電路圖如附圖3所示，具體工作模態(tài)在此不再詳述。
[0028]升壓模式下，第三開關(guān)管S3和第四開關(guān)管S4高頻開關(guān)工作，第一開關(guān)管S1保持導(dǎo)通而第二開關(guān)管S2保持關(guān)斷，同時(shí)第五開關(guān)管S5保持導(dǎo)通，本改進(jìn)型H橋升降壓直流變換器等效成傳統(tǒng)的Boost變換器和Flyback變換器在輸入端共用儲能電感、輸出端電容串聯(lián)，等效電路圖如附圖4所示。
[0029]本實(shí)施例中，開關(guān)管為場效應(yīng)管。
[0030]下面詳細(xì)分析本變換器的工作模態(tài)。
[0031]假設(shè)所有電感、電容、開關(guān)管和二極管都為理想器件，變壓器原邊繞組Np激磁電感SLm，變壓器匝數(shù)比(副邊/原邊)為n，根據(jù)開關(guān)管S3和S4的開關(guān)狀態(tài)，在電感電流連續(xù)的情況下，變換器共有兩種可能的開關(guān)模態(tài)。
[0032]開關(guān)模態(tài)1:開關(guān)管S3開通、S4關(guān)斷，等效電路如附圖5 (a)所示，此時(shí)二極管D1關(guān)斷，電感Lm的電流變化率滿足:
[0033]年'-=Yl(I)
dt Ln,
[0034]開關(guān)模態(tài)2:開關(guān)管S3關(guān)斷、S4開通，等效電路如附圖5 (b)所示，此時(shí)二極管D1導(dǎo)通，電感Lm的電流變化率滿足:
[0035]^L = EaiZXil.(2)
dt Lm
[0036]假設(shè)開關(guān)管S3的占空比分別為d2，則對于Boost部分，根據(jù)電感伏秒平衡可以得到，輸入、輸出電壓關(guān)系滿足:
[0037]K, =TjlT(3)

I —d，
[0038]對于Flyback部分，輸入、輸出電壓關(guān)系滿足:
[0039]Ki = Πα^ιμ(4)

I —.Cl ,、
[0040]則在升壓模式下，變換器總的電壓增益為Boost部分和Flyback部分之和，得到:
[0041]K =Vcl+Vc2 =(5)

I —d0
[0042]由式(5)可知，本改進(jìn)型H橋升降壓變換器在升壓模式下，不需要極端占空比，通過調(diào)整變換器匝數(shù)比，就可以實(shí)現(xiàn)較高的電壓增益，能夠適應(yīng)任意的輸入輸出電壓，滿足寬范圍升降壓變換的應(yīng)用需求，尤其適用于升壓范圍較大、降壓范圍較小的極端升降壓變換應(yīng)用場合。
【權(quán)利要求】
1.一種改進(jìn)型H橋升降壓直流變換器，其特征在于: 所述改進(jìn)型H橋升降壓直流變換器由輸入源(Vin)、第一開關(guān)管(S)、第二開關(guān)管(S2)、第一變壓器0\)、第三開關(guān)管(S3)、第四開關(guān)管(S4)、第一電容(C1)'第一二極管(D1)、第五開關(guān)管(S5)、第二電容(C2)和負(fù)載(R。)構(gòu)成，其中，輸入源(Vin)的正極連于第一開關(guān)管(S1)的漏極，第一開關(guān)管(S1)的源極連于第二開關(guān)管(S2)的漏極和第一變壓器(T1)原邊繞組(Np)的同名端，第一變壓器(T1)原邊繞組(Np)的非同名端連于第三開關(guān)管(S3)的漏極和第四開關(guān)管(S4)的源極，第四開關(guān)管(S4)的漏極連于第一電容(C1)的一端、第二電容(C2)的一端和第一變壓器(T1)副邊繞組(Ns)的同名端，第一變壓器(T1)副邊繞組(Ns)的非同名端連于第一二極管(D1)的陽極，第一二極管(D1)的陰極連于第五開關(guān)管(S5)的漏極，第五開關(guān)管(S5)的源極連于第二電容(C2)的另一端和負(fù)載(R。)的一端，負(fù)載(R。)的另一端連于第一電容(C1)的另一端、第三開關(guān)管(S3)的源極、第二開關(guān)管(S2)的源極和輸入源(Vin)的負(fù)極。
2.—種權(quán)利要求1的改進(jìn)型H橋升降壓直流變換器的控制方法，其特征在于:所述第一開關(guān)管(S1)和第二開關(guān)管(S2)互補(bǔ)導(dǎo)通，第三開關(guān)管(S3)和第四開關(guān)管(S4)互補(bǔ)導(dǎo)通；在本變換器處于降壓模式下，第一開關(guān)管(S1)和第二開關(guān)管(S2)高頻開關(guān)工作，第三開關(guān)管(S3)保持關(guān)斷而第四開關(guān)管(S4)保持導(dǎo)通，同時(shí)第五開關(guān)管(S5)保持關(guān)斷；在本變換器處于升壓模式下，第三開關(guān)管(S3)和第四開關(guān)管(S4)高頻開關(guān)工作，第一開關(guān)管(S1)保持導(dǎo)通而第二開關(guān)管(S2)保持關(guān)斷，同時(shí)第五開關(guān)管(S5)保持導(dǎo)通。
【文檔編號】H02M3/335GK103490635SQ201310468089
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月9日
【發(fā)明者】孟慶遠(yuǎn), 姚華文, 宋美恩 申請人:南京集能易新能源技術(shù)有限公司