本發(fā)明涉及電力電子變換器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種開關(guān)電容型準(zhǔn)開關(guān)升壓DC-DC變換器。

背景技術(shù)：

近年來，隨著傳統(tǒng)的化石能源(如煤炭、石油等)的日益消耗和枯竭，探索研究和開發(fā)新型清潔的可再生能源變得刻不容緩。進(jìn)而對太陽能光伏發(fā)電、燃料電池等可再生能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的研究得到了越來越廣泛的重視。但是由于單個(gè)燃料電池和光伏太陽能板的輸出電壓往往比較低，通常需要具有更高輸出電壓增益的DC-DC變換器作為接口變換器來把較低的電池電壓轉(zhuǎn)換到足夠高的能滿足并網(wǎng)逆變器的接口直流電壓，然后以并網(wǎng)進(jìn)行發(fā)電。但許多升壓DC/DC變換器由于受到占空比、發(fā)熱和損耗的限制，無法實(shí)現(xiàn)大幅度的升壓，如Boost變換器，其電壓增益為1/(1-D)，D為占空比，但由于寄生參數(shù)的影響，其輸出電壓增益受到了限制；又如Z源直流變換器，其電壓增益為1/(1-2D)，較Boost變換器有了一定的提高，但依舊由很大的提升空間，此外它還存在輸入輸出不共地、開關(guān)電壓應(yīng)力高等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有更高輸出電壓增益的開關(guān)電容型準(zhǔn)開關(guān)升壓DC-DC變換器。

本發(fā)明電路中具體包括輸入直流電壓源，由第一電感，第一電容，第一二極管，第二二極管和第一MOS管構(gòu)成的準(zhǔn)開關(guān)升壓網(wǎng)絡(luò)，由第二電容，第四二極管，第三電容，第五二極管構(gòu)成的開關(guān)電容單元，第二MOS管，第三二極管，第四電容和負(fù)載電阻。

本發(fā)明電路的具體連接方式為：所述輸入直流電壓源的一端與第一電感的一端連接；所述第一電感的另一端分別與第一二極管的陽極和第一MOS管的漏極連接；所述第一二極管的陰極分別與第一電容的正極、第二電容的負(fù)極、第二MOS管的漏極和第三二極管的陽極連接；所述第一電容的負(fù)極分別與第一MOS管的源極和第二二極管的陽極連接；所述第三二極管的陰極分別與第四二極管的陽極、第三電容的負(fù)極和第四電容的正極連接；所述第四二極管的陰極分別與第五二極管的陽極和第二電容的正極連接；所述第五二極管的陰極分別與第三電容的正極和負(fù)載電阻的一端連接；所述負(fù)載電阻的另一端分別與第四電容的負(fù)極、第二MOS管的源極、第二二極管的陰極和輸入直流電壓源的負(fù)極連接。

該變換器穩(wěn)態(tài)輸出時(shí)的電壓增益G為：

其中V_o表示變換器負(fù)載側(cè)的輸出電壓，V_i為輸入直流電壓源的輸入電壓，D為占空比。

與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，控制方便；且相比于傳統(tǒng)的開關(guān)電容Boost變換器(其輸出電壓增益為G＝2/(1-D))和Z源升壓變換器(其對應(yīng)的輸出電壓增益為G＝1/(1-2D))，在相同的輸入電壓和占空比的情況下，具有更高的輸出電壓增益為G＝2/(1-2D)。且電源電流連續(xù)，輸入與輸出之間共地，開關(guān)應(yīng)力較低，不存在電路啟動(dòng)沖擊電流等，因此本發(fā)明電路具有很廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是實(shí)施方式中的一種開關(guān)電容型準(zhǔn)開關(guān)升壓DC-DC變換器的電路圖；

圖2a是圖1所示電路在第一MOS管和第二MOS管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的工作模態(tài)圖。

圖2b是圖1所示電路的第一MOS管和第二MOS管同時(shí)關(guān)斷時(shí)，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的工作模態(tài)圖。

圖3a是本發(fā)明實(shí)例中所述變換器與開關(guān)電容Boost變換器和傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源變換器的輸出電壓增益對比曲線圖。

圖3b是以V_in＝15V，占空比D＝0.3為例給出了本發(fā)明實(shí)例中電路中相關(guān)變量的仿真結(jié)果。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。需指出的是，以下若有未特別詳細(xì)說明之過程或參數(shù)，均是本領(lǐng)域技術(shù)人員可參照現(xiàn)有技術(shù)理解或?qū)崿F(xiàn)的。

本實(shí)施例的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和各主要元件如圖1所示。為了驗(yàn)證方便，未特別說明的情況下電路結(jié)構(gòu)中的器件均視為理想器件。一種開關(guān)電容型準(zhǔn)開關(guān)升壓DC-DC變換器，其包括輸入直流電壓源V_in，由第一電感L₁，第一電容C₁，第一二極管D₁，第二二極管D₂和第一MOS管S₁構(gòu)成的準(zhǔn)開關(guān)升壓網(wǎng)絡(luò)，由第二電容C₂，第四二極管D₄，第三電容C₃，第五二極管D₅構(gòu)成的開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，第二MOS管S₂，第三二極管D₃，第四電容C₄和負(fù)載電阻R_L。

本實(shí)例中設(shè)定第一MOS管S₁和第二MOS管S₂的驅(qū)動(dòng)信號為V_GS1、V_GS2，第一電感L₁電流為i_L1、第一電容C₁電壓為V_C1、第二電容C₂電壓為V_C2、第三電容C₃電壓為V_C3、第四電容C₄電壓為V_C4。設(shè)定占空比為D，設(shè)定開關(guān)周期為T_s。

如圖2a和圖2b所示，圖中實(shí)線表示變換器中有電流流過的部分，虛線表示變換器中沒有電流流過的部分。并一種開關(guān)電容型準(zhǔn)開關(guān)升壓DC-DC變換器在一個(gè)開關(guān)周期(0,T_s)內(nèi)不同階段的2個(gè)工作模態(tài)，分別描述如下：

工作模態(tài)1(0<t<DT_s)：如圖2a所示，第一MOS管S₁和第二MOS管S₂同時(shí)開通，第一二極管D₁、第二二極管D₂、第三二極管D₃和第五二極管D₅反向截止，第四二極管D₄正向?qū)?。則此時(shí)輸入直流電壓源V_in和第一電容C₁通過第一MOS管S₁和第二MOS管S₂一起給第一電感L₁充電，第四電容C₄通過二極管D₄和第二MOS管S₂給第二電容C₂充電，同時(shí)第三電容C₃和第四電容C₄串聯(lián)一起向負(fù)載電阻R_L供電。

此工作模態(tài)下，相關(guān)電氣參數(shù)關(guān)系式為：

V_{L1_on}＝V_in+V_C1 (1)

V_C2＝V_C4 (2)

V_o＝V_C3+V_C4 (3)

其中，V_L1-on表示第一MOS管S₁和第二MOS管S₂同時(shí)導(dǎo)通期間第一電感L₁兩端的電壓，V_o表示變換器負(fù)載側(cè)的輸出電壓。

工作模態(tài)2(DT_s<t<T_s)：如圖2b所示，第一MOS管S₁和第二MOS管S₂同時(shí)關(guān)斷，則第一二極管D₁、第二二極管D₂、第三二極管D₃和第五二極管D₅導(dǎo)通，第四二極管D₄關(guān)斷。則此時(shí)輸入直流電壓源V_in與第一電感L₁通過二極管D₁、二極管D₂和二極管D₃向第一電容C₁和第四電容C₄一起充電，第二電容C₂給第三電容C₃充電。同時(shí)，輸入直流電壓源V_in與第一電感L₁和第二電容C₂串聯(lián)一起向負(fù)載電阻R_L供電。此工作模態(tài)下，相關(guān)電氣參數(shù)關(guān)系式為：

V_L1-off＝V_in-V_C1 (4)

V_C1＝V_C4 (5)

V_C2＝V_C3 (6)

V_o＝V_C2+V_C1 (7)

其中，V_L1-off表示第一MOS管S₁和第二MOS管S₂同時(shí)關(guān)斷時(shí)第一電感L₁兩端的電壓。

根據(jù)以上分析，對第一電感L₁運(yùn)用伏秒平衡原理，即電感電壓在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值為零，聯(lián)立式(1)和(4)可得

D(V_in+V_C1)+(1-D)(V_in-V_C1)＝0 (8)

則聯(lián)立式(2)、(3)、(5)、(6)、(7)和(8)可求得穩(wěn)態(tài)時(shí)電容電壓和輸出電壓的表達(dá)式分別為：

則本發(fā)明實(shí)例中所述的一種開關(guān)電容型準(zhǔn)開關(guān)升壓DC-DC變換器穩(wěn)態(tài)輸出時(shí)的電壓增益G為：

如圖3a所示為本發(fā)明實(shí)例中電路的輸出電壓增益曲線與開關(guān)電容Boost變換器和傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源變換器的電壓增益曲線比較圖。由圖可知，本發(fā)明實(shí)例中電路在占空比D不超過0.5的情況下，輸出電壓增益G就可以達(dá)到很大，明顯高于其他兩種變換器的電壓增益，且本發(fā)明實(shí)例中電路的占空比D不會超過0.5。

圖3b以V_i＝15V，占空比D＝0.3為例給出了本發(fā)明實(shí)例中電路中相關(guān)變量的仿真結(jié)果。D＝0.3時(shí)，對應(yīng)的輸出電壓增益G＝5，第一電容、第二電容、第三電容、第四電容的電容電壓(V_C1、V_C2、V_C3、V_C4)都等于37.5V，輸出電壓V_o＝75V。此外，圖3b中還給出了第一電感電流i_L1的波形以及第一MOS管S₁和第二MOS管S₂的驅(qū)動(dòng)信號(V_GS1、V_GS2)的波形。

綜上所述，本發(fā)明提出的一種開關(guān)電容型準(zhǔn)開關(guān)升壓DC-DC變換器，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便；相比于開關(guān)電容Boost變換器和傳統(tǒng)的準(zhǔn)Z源變換器，在相同的輸入電壓和占空比的情況下，具有更高的輸出電壓增益。且電源電流連續(xù)，輸入與輸出之間共地，在電路啟動(dòng)瞬間不存在啟動(dòng)沖擊電流，因此本發(fā)明電路具有很廣泛的應(yīng)用前景。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。