本實用新型涉及電力電子變換器技術領域，具體涉及一種開關電容型混合準Z源變換器。

背景技術：

隨著煤炭、石油等化石能源的大量消耗和環(huán)境污染的日益加劇，開發(fā)和利用新型的太陽能光伏、燃料電池等可再生清潔能源變得越來越重要。在這其中，高增益的DC/DC變換器由于能夠大幅提升相應的直流電壓等級，因而被廣泛應用于新能源發(fā)電系統(tǒng)當中。但是，在其他一些工業(yè)應用場合，例如高壓氣體放電燈、X射線光片機直流電源等，高增益DC/DC變換器同樣也具有重要的應用價值。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，由于寄生參數(shù)的影響，其輸出電壓增益受到了限制；又如近幾年提出的Z源升壓 DC-DC變換器，其電壓增益為1/(1-2D)，較Boost變換器有了一定的提高，但是其電壓增益仍有很大的提升空間，此外它還存在輸入輸出不共地、開關電壓應力高等問題。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足，提出一種開關電容型混合準Z源變換器。

本實用新型電路中具體包括輸入直流電壓源、混合準Z源網(wǎng)絡、開關電容網(wǎng)絡、第二MOS管、第三二極管、第五電容和負載電阻；所述混合準Z源網(wǎng)絡由第一電感、第二電感、第一電容、第二電容、第一二極管、第二二極管和第一MOS管構成；所述開關電容網(wǎng)絡由第三電容、第四二極管、第四電容和第五二極管構成。

本實用新型電路的具體連接方式為：所述輸入直流電壓源的一端分別與第一電感的一端和第二電容的負極連接；所述第一電感的另一端分別與第一電容的負極和第一二極管的陽極連接；所述第一二極管的陰極分別與第一MOS管的源極和第二電感的一端連接；所述第二電感的另一端分別與第二二極管的陽極、第一電容的正極、第二MOS管的漏極、第三二極管的陽極和第三電容的負極連接；所述第一MOS管的漏極分別與第二二極管的陰極和第二電容的正極連接；所述第三二極管的陰極分別與第四二極管的陽極、第四電容的負極和第五電容的正極連接；所述第四二極管的陰極分別與第三電容的正極和第五二極管的陽極連接；所述第五二極管的陰極分別與第四電容的正極和負載電阻的一端連接；所述負載電阻的另一端分別與第五電容的負極、第二MOS管的源極和輸入直流電源的負極連接。

該變換器穩(wěn)態(tài)輸出時的電壓增益G為：

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

與現(xiàn)有技術相比本實用新型具有如下優(yōu)點：整個電路結構簡單，控制方便，且相比于傳統(tǒng)的準Z源變換器(其輸出電壓增益為G＝1/(1-2D))和基于二極管二級拓展的準Z源升壓變換器(其對應的輸出電壓增益為G＝1/(1-2D)/(1-D)²)，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-D)/(1-3D+D²)，且輸入與輸出之間共地，開關應力較低，不存在電路啟動沖擊電流等，因此本實用新型電路具有很廣泛的應用前景。

附圖說明

圖1是本實用新型實例中所述的一種開關電容型混合準Z源變換器的電路圖。

圖2a、圖2b是圖1所示電路分別在第一MOS管和第二MOS管同時導通、第一MOS管和第二MOS管同時關斷時，在一個開關周期內(nèi)的主要工作模態(tài)圖。

圖3a是本實用新型實例中所述變換器與傳統(tǒng)準Z源變換器和基于二極管二級拓展的準Z源變換器的輸出電壓增益對比曲線圖。

圖3b是以V_i＝15V，占空比D＝0.25為例給出的本實用新型實例中電路的相關變量的仿真結果圖。

具體實施方式

以下結合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述說明，但本實用新型的實施方式不限于此。需指出的是，以下若有未特別詳細說明之過程或參數(shù)，均是本領域技術人員可參照現(xiàn)有技術理解或?qū)崿F(xiàn)的。

本實施例的基本拓撲結構如圖1所示。為了驗證方便，電路結構中的器件均視為理想器件。一種開關電容型混合準Z源變換器，其包括輸入直流電壓源V_i、混合準Z源網(wǎng)絡、開關電容網(wǎng)絡、第二MOS管S₂、第三二極管D₃、第五電容C₅和負載電阻R_L；所述混合準Z源網(wǎng)絡由第一電感L₁、第二電感 L₂、第一電容C₁、第二電容C₂、第一二極管D₁、第二二極管D₂和第一MOS 管S₁構成；所述開關電容網(wǎng)絡由第三電容C₃、第四二極管D₄、第四電容C₄和第五二極管D₅構成；

本實施例中設定第一MOS管S₁和第二MOS管S₂的驅(qū)動信號為V_GS1和 V_GS2、第一電感L₁電流為i_L1、第二電感L₂電流為i_L2、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、第五電容C₅的電壓為V_C5。并設定占空比為D，設定開關周期為T_s。

如圖2a和圖2b所示，圖中實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。一種開關電容型混合準Z源變換器在一個開關周期(0,T_s)內(nèi)，主要有兩個不同階段的工作模態(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同時導通，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)?。則此時輸入直流電壓源V_i和第一電容 C₁通過第二MOS管S₂一起給第一電感L₁充電，輸入直流電壓源V_i和第二電容C₂通過第一MOS管S₁和第二MOS管S₂一起給第二電感L₂充電，第五電容C₅通過第四二極管D₄和第二MOS管S₂給第三電容C₃充電，同時第五電容C₅和第四電容C₄串聯(lián)一起向負載電阻R_L供電。

此工作模態(tài)下，相關電氣參數(shù)關系式為：

V_{L1_on}＝V_i+V_C1 (1)

V_{L2_on}＝V_i+V_C2，V_C5＝V_C3 (2)

V_o＝V_C4+V_C5 (3)

其中，V_L1-on、V_L2-on分別表示第一MOS管S₁和第二MOS管S₂同時導通期間第一電感L₁、第二電感L₂兩端的電壓，V_o表示變換器負載側的輸出電壓。

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同時關斷，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導通，第四二極管D₄關斷。則此時第二電感L₂給第一電容C₁充電，第一電感L₁和第二電感L₂串聯(lián)一起向第二電容C₂充電，輸入直流電壓源V_i與第一電感L₁和第二電感L₂串聯(lián)一起向第五電容C₅充電，第三電容C₃給第四電容C₄充電。同時，輸入直流電壓源V_i與第一電感L₁、第二電感L₂和第三電容C₃串聯(lián)一起向負載電阻R_L供電。

此工作模態(tài)下，相關電氣參數(shù)關系式為：

V_{L1_off}+V_{L2_off}＝-V_C2 (4)

V_{L2_off}＝-V_C1 (5)

V_C5＝V_i-V_{L1_off}-V_{L2_off} (6)

V_C3＝V_C4 (7)

V_o＝V_C3-V_{L1_off}-V_{L2_off}+V_i (8)

其中，V_L1-off、V_L2-off分別表示第一MOS管S₁和第二MOS管S₂同時關斷時第一電感L₁、第二電感L₂兩端的電壓。

根據(jù)以上分析，對第一電感L₁、第二電感L₂分別運用伏秒平衡原理，即電感電壓在一個開關周期內(nèi)的平均值為零，聯(lián)立式(1)、(2)、(4)、(5)可得

D(V_i+V_C1)+(1-D)(V_C1-V_C2)＝0 (9)

D(V_i+V_C2)+(1-D)(-V_C1)＝0 (10)

則聯(lián)立式(6)、(7)、(8)、(9)和(10)可求得穩(wěn)態(tài)時電容電壓和輸出電壓的表達式分別為：

則本實用新型實例所述的一種開關電容型混合準Z源變換器穩(wěn)態(tài)輸出時的電壓增益G為：

如圖3a所示為本實用新型實例電路的輸出電壓增益曲線與傳統(tǒng)準Z源變換器和基于二極管二級拓展的準Z源變換器的電壓增益曲線比較圖。由圖可知，本實用新型實例電路在占空比D不超過0.38的情況下，輸出電壓增益G就可以達到很大，明顯高于其他兩種變換器的電壓增益，且本實用新型實例電路的占空比D不會超過0.38。

圖3b是以V_i＝15V，占空比D＝0.25為例給出的本實用新型實例中電路的相關變量的仿真結果圖。D＝0.25時，對應的輸出電壓增益G＝4.8，第一電容電壓V_C1＝12V，第二電容電壓V_C2＝21V，第三、第四、第五電容電壓(V_C3、V_C4、 V_C5)＝36V，輸出電壓V_o＝72V。此外，圖3b中還給出了第一、第二電感電流(i_L1、i_L2)的波形以及第一MOS管S₁和第二MOS管S₂的驅(qū)動信號(V_GS1、 V_GS2)的波形。

綜上所述，本實用新型實例提出的一種開關電容型混合準Z源變換器，整個電路結構簡單，控制方便，相比于傳統(tǒng)的準Z源變換器和基于二極管二級拓展的準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，且輸入與輸出之間共地，在電路啟動瞬間不存在啟動沖擊電流，因此本實用新型實例電路具有很廣泛的應用前景。

上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。