本發(fā)明涉及電力電子變換器的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種基于準(zhǔn)z源橋式結(jié)構(gòu)輸出容量可控的高增益直流電壓變換器。

背景技術(shù)：

隨著工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，大功率、高增益的變換器在需要電能變換的場(chǎng)合發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。近些年來(lái)提出的z源變換器實(shí)現(xiàn)了低占空比時(shí)獲得較大的輸出電壓。然而，在負(fù)載功率較大的情況下，在設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的z源變換器時(shí)需要選擇容值較大的電容，且開關(guān)管和二極管的電流應(yīng)力大，限制了z源變換器在大功率場(chǎng)合的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺點(diǎn)，提供了一種基于準(zhǔn)z源橋式結(jié)構(gòu)輸出容量可控的高增益直流電壓變換器，適用于需要大功率和高增益的電力電子電路。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為：一種輸出容量可控的高增益直流電壓變換器，包括電壓源、第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第一準(zhǔn)z源模塊、第二準(zhǔn)z源模塊、輸出模塊，所述第一準(zhǔn)z源模塊由第一電容、第二電容、第一電感、第二電感和第一二極管組成，所述第二準(zhǔn)z源模塊由第三電容、第四電容、第三電感、第四電感和第二二極管組成，所述輸出模塊由第三二極管、第五電容和負(fù)載組成；所述電壓源的正極分別與第一電容的負(fù)極、第二電感的一端和第二開關(guān)管的漏極連接，該電壓源的負(fù)極分別與第一開關(guān)管的源極、第三電感的另一端和第四電容的正極連接；所述第一電容的正極分別與第一電感的一端和第一二極管的陰極連接；所述第二電感的另一端分別與第二電容的負(fù)極和第一二極管的陽(yáng)極連接；所述第一電感的另一端分別與第二電容的正極、第一開關(guān)管的漏極和第三二極管的陽(yáng)極連接；所述第三二極管的陰極分別與第五電容的正極和負(fù)載的一端連接；所述第五電容的負(fù)極分別與負(fù)載的另一端、第二開關(guān)管的源極、第三電容的負(fù)極和第四電感的一端連接；所述第三電容的正極分別與第三電感的一端和第二二極管的陰極連接；所述第四電感的另一端分別與第二二極管的陽(yáng)極和第四電容的負(fù)極連接。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果：

本發(fā)明采用兩組準(zhǔn)z源模塊，具有較高的輸出電壓增益，降低了二極管和開關(guān)管的電流應(yīng)力，提高了功率容量，且準(zhǔn)z源模塊的電容應(yīng)力低，電路不存在啟動(dòng)沖擊問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所述高增益直流電壓變換器的電路原理圖。

圖2a、圖2b分別是本發(fā)明所述高增益直流電壓變換器在第一開關(guān)管s1和第二開關(guān)管s2導(dǎo)通和關(guān)斷中兩個(gè)主要階段的等效電路圖，圖中實(shí)線表示變換器中有電流流過(guò)的部分，虛線表示變換器中無(wú)電流流過(guò)的部分。

圖3是本發(fā)明電路的仿真主要工作波形圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

參見(jiàn)圖1所示，本實(shí)施例所提供的高增益直流電壓變換器，包括電壓源vi、第一開關(guān)管s1、第二開關(guān)管s2、第一準(zhǔn)z源模塊、第二準(zhǔn)z源模塊、輸出模塊，所述第一準(zhǔn)z源模塊由第一電容c1、第二電容c2、第一電感l(wèi)1、第二電感l(wèi)2和第一二極管d1組成，所述第二準(zhǔn)z源模塊由第三電容c3、第四電容c4、第三電感l(wèi)3、第四電感l(wèi)4和第二二極管d2組成，所述輸出模塊由第三二極管d3、第五電容c5和負(fù)載r組成；電壓源vi的正極分別與第一電容c1的負(fù)極、第二電感l(wèi)2的一端和第二開關(guān)管s2的漏極連接，該電壓源vi的負(fù)極分別與第一開關(guān)管s1的源極、第三電感l(wèi)3的另一端和第四電容c4的正極連接；第一電容c1的正極分別與第一電感l(wèi)1的一端和第一二極管d1的陰極連接；第二電感l(wèi)2的另一端分別與第二電容c2的負(fù)極和第一二極管d1的陽(yáng)極連接；第一電感l(wèi)1的另一端分別與第二電容c2的正極、第一開關(guān)管s1的漏極和第三二極管d3的陽(yáng)極連接；第三二極管d3的陰極分別與第五電容c5的正極和負(fù)載r的一端連接；第五電容c5的負(fù)極分別與負(fù)載r的另一端、第二開關(guān)管s2的源極、第三電容c3的負(fù)極和第四電感l(wèi)4的一端連接；第三電容c3的正極分別與第三電感l(wèi)3的一端和第二二極管d2的陰極連接；第四電感l(wèi)4的另一端分別與第二二極管d2的陽(yáng)極和第四電容c4的負(fù)極連接。

此外，上述的高增益直流電壓變換器的輸入端可以串聯(lián)或者并聯(lián)濾波電路用來(lái)改善電路的特性。

第一開關(guān)管s1和第二開關(guān)管s2導(dǎo)通時(shí)，電壓源vi和第一電容c1對(duì)第一電感l(wèi)1充電；電壓源vi和第二電容c2對(duì)第二電感l(wèi)2充電；電壓源vi和第三電容c3對(duì)第三電感l(wèi)3充電；電壓源vi和第四電容c4對(duì)第四電感l(wèi)4充電；第五電容c5為負(fù)載r供電。第一開關(guān)管s1和第二開關(guān)管s2關(guān)斷時(shí)，第一電感l(wèi)1通過(guò)第一二極管d1對(duì)第二電容c2充電；第二電感l(wèi)2通過(guò)第一二極管d1對(duì)第一電容c1充電；第三電感l(wèi)3通過(guò)第二二極管d2對(duì)第四電容c4充電；第四電感l(wèi)4通過(guò)第二二極管d2對(duì)第三電容c3充電；電壓源vi、第一電感l(wèi)1、第二電感l(wèi)2、第三電感l(wèi)3、第四電感l(wèi)4通過(guò)第一二極管d1、第二二極管d2和第三二極管d3對(duì)第五電容c5充電，同時(shí)給負(fù)載r供電。本發(fā)明提高了z源變換器的功率容量，具有較高的電壓增益。

參見(jiàn)圖2a、圖2b所示，給出了第一開關(guān)管s1和第二開關(guān)管s2導(dǎo)通和關(guān)斷中兩個(gè)主要階段的等效電路圖。結(jié)合圖2a、圖2b，本實(shí)施例上述的高增益直流電壓變換器的工作過(guò)程如下：

階段1，如圖2a：第一開關(guān)管s1和第二開關(guān)管s2導(dǎo)通，此時(shí)第一二極管d1和第二二極管d2關(guān)斷；電路中形成5個(gè)回路，分別是：電壓源vi和第一電容c1對(duì)第一電感l(wèi)1充電；電壓源vi和第二電容c2對(duì)第二電感l(wèi)2充電；電壓源vi和第三電容c3對(duì)第三電感l(wèi)3充電；電壓源vi和第四電容c4對(duì)第四電感l(wèi)4充電；第五電容c5為負(fù)載r供電。

階段2，如圖2b：第一開關(guān)管s1和第二開關(guān)管s2關(guān)斷，此時(shí)第一二極管d1和第二二極管d2導(dǎo)通；電路中形成5個(gè)回路，分別是：第一電感l(wèi)1通過(guò)第一二極管d1對(duì)第二電容c2充電；第二電感l(wèi)2通過(guò)第一二極管d1對(duì)第一電容c1充電；第三電感l(wèi)3通過(guò)第二二極管d2對(duì)第四電容c4充電；第四電感l(wèi)4通過(guò)第二二極管d2對(duì)第三電容c3充電；電壓源vi、第一電感l(wèi)1、第二電感l(wèi)2、第三電感l(wèi)3、第四電感l(wèi)4通過(guò)第一二極管d1、第二二極管d2和第三二極管d3對(duì)第五電容c5充電，同時(shí)給負(fù)載r供電。

綜上情況，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，設(shè)開關(guān)管占空比為d，設(shè)第一電感l(wèi)1、第二電感l(wèi)2、第三電感l(wèi)3、第四電感l(wèi)4、第一電容c1、第二電容c2、第三電容c3、第四電容c4的電壓分別為vl1、vl2、vl3、vl4、vc1、vc2、vc3、vc4，設(shè)輸出電壓為vo，得出以下電壓增益的推導(dǎo)過(guò)程。

第一開關(guān)管s1和第二開關(guān)管s2導(dǎo)通期間，對(duì)應(yīng)階段1所述的工作情形，因此有如下公式：

vl1＝vc1+vi(1)

vl2＝vc2+vi(2)

vl3＝vc3+vi(3)

vl4＝vc4+vi(4)

第一開關(guān)管s1和第二開關(guān)管s2關(guān)斷期間，對(duì)應(yīng)階段2所述的工作情形，因此有如下公式：

vl1＝-vc2(5)

vl2＝-vc1(6)

vl3＝-vc4(7)

vl4＝-vc3(8)

vo＝vc1+vc2+vc3+vc4+vi(9)

由以上分析，根據(jù)電感的伏秒特性，有，

對(duì)于第一電感l(wèi)1：

(vc1+vi)d+(-vc2)(1-d)＝0(10)

對(duì)于第二電感l(wèi)2：

(vc2+vi)d+(-vc1)(1-d)＝0(11)

對(duì)于第三電感l(wèi)3：

(vc3+vi)d+(-vc4)(1-d)＝0(12)

對(duì)于第四電感l(wèi)4：

(vc4+vi)d+(-vc3)(1-d)＝0(13)

聯(lián)立式子(9)-(13)，可得到該電路的輸出電壓表達(dá)式為：

在一個(gè)開關(guān)周期中，設(shè)周期為t，四個(gè)電感電流的平均值均相等，設(shè)為第一開關(guān)管s1和第二開關(guān)管s2導(dǎo)通時(shí)，設(shè)電源vi的耗能為wion，則有：

第一開關(guān)管s1和第二開關(guān)管s2斷開時(shí)，設(shè)電源vi的耗能為wioff，第一電容c1的電流為ic1，則根據(jù)第一電容c1的安秒平衡，有以下公式：

一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，設(shè)電源的輸入功率為pi，負(fù)載的輸出功率為po，電路的效率為η，則有：

聯(lián)立式子(15)-(18)，可得到電感電流的平均值為：

第一開關(guān)管s1和第二開關(guān)管s2導(dǎo)通時(shí)，若不考慮電流紋波影響，則兩個(gè)開關(guān)管的電流應(yīng)力均為：

由式子(14)可知，本發(fā)明所述的一種基于準(zhǔn)z源橋式結(jié)構(gòu)輸出容量可控的高增益直流電壓變換器的電壓增益為而傳統(tǒng)的z源變換器和準(zhǔn)z源變換器的電壓增益為故本發(fā)明在占空比d小于0.5的情況下，能實(shí)現(xiàn)較大的電壓增益。同時(shí)，由式子(20)可知，本發(fā)明的開關(guān)管的電流應(yīng)力為而傳統(tǒng)的z源變換器和準(zhǔn)z源變換器的開關(guān)管的電流應(yīng)力為故在相同的輸出功率和效率的條件下，本發(fā)明能有效減低開關(guān)管的電流應(yīng)力。

設(shè)開關(guān)管的最大允許電流應(yīng)力為isw-max，由式子(20)可得，本發(fā)明的功率容量為：

而傳統(tǒng)的z源和準(zhǔn)z源變換器的功率容量為：

由式子(21)和式子(22)可知，在輸入電壓vi相同，效率η相同，開關(guān)管具有相同的電流應(yīng)力上限isw-max時(shí)，尤其是當(dāng)占空比d接近0.5時(shí)，本發(fā)明的功率容量約為傳統(tǒng)z源變換器的兩倍。

在電壓源vi＝1v，占空比d＝0.4，輸出功率po＝8.1w的情況下，由式子(14)、(19)和(20)得到的輸出電壓的理論分析結(jié)果為vo＝9v，電感電流的平均值的理論分析結(jié)果為開關(guān)管的電流應(yīng)力的理論分析結(jié)果為9a。圖3所示對(duì)應(yīng)參數(shù)下的仿真波形，可以看出輸出電壓的仿真結(jié)果也接近9v，電感電流的平均值的仿真結(jié)果也接近4.5a，開關(guān)管的電流應(yīng)力的仿真結(jié)果接近9a，從而有效驗(yàn)證了理論分析的正確性。在占空比d＝0.4的情況下，本發(fā)明之變換器的電壓增益為9，而傳統(tǒng)z源變換器的增益為5?？梢?jiàn)，本發(fā)明能夠提高輸出電壓，擴(kuò)大功率容量，同時(shí)能夠有效的降低電容應(yīng)力，且電路不存在啟動(dòng)沖擊問(wèn)題，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

以上所述實(shí)施例只為本發(fā)明之較佳實(shí)施例，并非以此限制本發(fā)明的實(shí)施范圍，故凡依本發(fā)明之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。