本發(fā)明涉及dc/dc變換器領(lǐng)域，具體涉及一種低電壓應(yīng)力的高增益準開關(guān)升壓dc/dc變換器。

背景技術(shù)：

隨著能源效率越來越受到重視，新能源發(fā)電取得了長足的發(fā)展，然而像太陽能，風能和燃料電池等清潔能源發(fā)電的輸出直流電壓一般較低，無法直接用于逆變并網(wǎng)或某些高電壓等級的負載供電。因此，需要高增益的dc/dc變換器來將低輸出電壓進行抬升。而傳統(tǒng)的boost變換器因為結(jié)構(gòu)簡單常被用于升壓電路，但要實現(xiàn)高增益，其開關(guān)管的占空比往往較大，這不利于系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換效率的提高，而z源/準z源dc/dc變換器的提出，確實將輸入輸出電壓增益提高了不少，不過其中的z源和準z源網(wǎng)絡(luò)含有兩個電感和電容使得電路的體積較大，不利于系統(tǒng)的小型化和輕量化。而近年所提出的準開關(guān)升壓網(wǎng)絡(luò)，僅含有一個電感和一個電容，就可以實現(xiàn)和傳統(tǒng)z源網(wǎng)絡(luò)的相同的升壓能力，而將準開關(guān)升壓網(wǎng)絡(luò)用于dc-dc電路中，對其進行適當?shù)母脑?，不僅可以使其升壓能力得到進一步的提升，并且開關(guān)設(shè)備的電壓應(yīng)力也能進一步降低。

技術(shù)實現(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，提出一種低電壓應(yīng)力的高增益準開關(guān)升壓dc/dc變換器，具體技術(shù)方案。

一種低電壓應(yīng)力的高增益準開關(guān)升壓dc/dc變換器，包括第一二極管、第一開關(guān)管、直流輸入電源、電感、第二二極管、電容、第三二極管、第二開關(guān)管、輸出電容和負載；所述第一二極管的陰極與直流輸入電源的負極和第一開關(guān)管的源極連接；所述直流輸入電源的正極與第三二極管的陽極和電感的一端連接；所述電感的另一端與第二二極管的陽極和第二開關(guān)管的漏極連接；所述第二二極管的陰極與第一開關(guān)管的漏極和電容的一端連接；所述電容的另一端與第一二極管的陽極、第二開關(guān)管的源極、輸出電容的一端和負載的一端連接；所述輸出電容的另一端和第三二極管的陰極和負載的另一端連接。該變換器穩(wěn)態(tài)輸出時的電壓增益g為：

其中vo表示變換器負載側(cè)的輸出電壓，vi為輸入直流電壓源，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：相比于傳統(tǒng)的z源、準z源dc/dc變換器，少了一組電感電容元件，多了一個開關(guān)管和二極管，元器件數(shù)量總數(shù)相同，相對體積更??；另外在相同的占空比和輸入電壓的情況下，具有更高的輸出電壓。即相同的輸入電壓和輸出電壓條件下，本發(fā)明電路只需要較小的占空比就可以將低等級電壓升至高等級的電壓，而且結(jié)構(gòu)簡單，兩個開關(guān)管同步動作，控制方便，開關(guān)管和二極管的電壓應(yīng)力小，工作效率高，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是一種低電壓應(yīng)力的高增益準開關(guān)升壓dc/dc變換器電路圖。

圖2是一個開關(guān)周期主要元件的電壓電流波形圖。

圖3a、圖3b是圖1所示電路分別在第一開關(guān)管和第二開關(guān)管同時導通、第一開關(guān)管和第二開關(guān)管同時關(guān)斷時，在一個開關(guān)周期內(nèi)電路模態(tài)圖。

圖4是本發(fā)明實例中所述變換器與z源dc/dc變換器和boost變換器的電壓增益vo/vi隨占空比d變化的比較圖。

圖5是本發(fā)明電路在d＝0.4時穩(wěn)態(tài)工作的相關(guān)變量的matlab/simulink仿真波形圖。

具體實施方式

以下結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述說明，但本發(fā)明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(lǐng)域技術(shù)人員可參照現(xiàn)有技術(shù)理解或?qū)崿F(xiàn)的。

本實例的基本拓撲結(jié)構(gòu)和各主要元件電壓電流參考方向如圖1所示。為了分析方便，電路結(jié)構(gòu)中的器件均視為理想器件。一種低電壓應(yīng)力的高增益準開關(guān)升壓dc/dc變換器，其包括第一二極管d1、第一開關(guān)管s1、直流輸入電源vin、電感l(wèi)、第二二極管d2、電容c、第三二極管d3、第二開關(guān)管s2、輸出電容co和負載rl。

本實例中設(shè)定第一、第二開關(guān)管的驅(qū)動信號為vg、輸入電壓為vi、輸出電壓為vo、電容電壓為vc、電感電流為il、第一、第二二極管電流為id1、id2、第三二極管電壓為vd3。設(shè)定第一、第二開關(guān)管導通時的占空比為d，設(shè)定輸出電壓增益為g，設(shè)定開關(guān)周期為ts。波形圖如圖2所示。

一種低電壓應(yīng)力的高增益準開關(guān)升壓dc/dc變換器，在一個開關(guān)周期(t0～t2)內(nèi)不同階段的2個工作模態(tài)，分別描述如下：

工作模態(tài)1(t0～t1)：如圖3a所示，第一、第二開關(guān)管同步動作，其驅(qū)動電壓vg從低電平變?yōu)楦唠娖?，第一、第二二開關(guān)管同時導通，第一、第二二極管承受反向電壓截止，第三二極管承受正向電壓導通，直流輸入電源和電容通過第一、第二開關(guān)管給電感充電，同時通過第三二極管向輸出電容和負載供電。

工作模態(tài)2(t0～t1)：如圖3b所示，第一、第二開關(guān)管同步動作，其驅(qū)動電壓vg從高電平變?yōu)榈碗娖?，第一、第二開關(guān)管同時關(guān)斷，第一、第二二極管承受正向電壓導通，第三二極管承受反向電壓截止，直流輸入電源和電感通過第一、第二二極管給電容充電，同時通過第三二極管向輸出電容和負載供電。

根據(jù)以上分析，運用伏秒平衡原理，即電感電壓在一個開關(guān)周期內(nèi)的平均值為零，因此得到式(1)，由式(1)得到輸入電壓vi與電容電壓vc關(guān)系式(2)。在開關(guān)管導通的區(qū)間，輸出電壓vo等于輸入電壓vi和電容電壓vc之和，所以根據(jù)關(guān)系式(2)可以進一步得到輸出電壓vo和輸入電壓vin的關(guān)系式為式(3)。

(vc+vi)d+(vi-vc)(1-d)＝0(1)

則本發(fā)明所述的一種低電壓應(yīng)力的高增益準開關(guān)升壓dc/dc變換器穩(wěn)態(tài)輸出時的電壓增益g為：

boost變換器和z源dc/dc變換器的穩(wěn)態(tài)增益分別為1/(1-d)和(1-d)/(1-2d)(d為占空比)，本實例電路與boost變換器和z源dc/dc變換器的穩(wěn)態(tài)增益比較圖如圖4所示，由圖可知，本發(fā)明電路在占空比d不等于或大于0.5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，而且本發(fā)明實例僅含有一個電感和電容，體積相對較小，結(jié)構(gòu)簡單。另外由于本發(fā)明實例的開關(guān)管同步動作，只需要一路驅(qū)動就可以控制。

以vi＝10v，占空比d＝0.4為例，給出了本發(fā)明電路中相關(guān)變量的仿真結(jié)果如圖5所示。d＝0.4時，對應(yīng)的輸出電壓增益g＝6，電容電壓vc＝50v，輸出電壓vo＝60v，開關(guān)管電壓應(yīng)力vs1＝vs2＝50v，二極管電壓應(yīng)力vd1＝vd2＝vd3＝50v。

綜上所述，本發(fā)明提出的一種低電壓應(yīng)力的高增益準開關(guān)升壓dc/dc變換器，結(jié)構(gòu)簡單，控制簡單，具有較高的穩(wěn)態(tài)增益，開關(guān)設(shè)備的電壓增益都低于輸出電壓，適用于非隔離型高增益直流電壓變換場合。

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