CN216599417U - 一种级联开关电容耦合电感高增益dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于DC‑DC变换设备技术领域，涉及到一种级联开关电容耦合电感高增益DC‑DC变换器，利用改进后的新型耦合电感单元，通过调节耦合电感绕组的匝数比，避免了极限占空比的出现，实现了小占空比条件下获得高升压增益的理想目的，利用设计的耦合电感绕组减少电路的电压应力，减少电磁干扰、增加电路结构的可靠性，其整体设计合理，使用安全，操作简单，具有较大的应用潜力用，而且使用器件较少，设计成本低，减少了器件损耗，提高了电路的工作效率。

Description

一种级联开关电容耦合电感高增益DC-DC变换器

技术领域

本实用新型属于DC-DC变换设备技术领域，涉及到一种级联开关电容耦合电感高增益DC-DC变换器。

背景技术

当前，全球范围内的能源危机与环境危机日益严重，这极大的促进了清洁能源与绿色能源的发展。燃料电池、光伏电源、风能发电等绿色能源技术均具有十分优秀的发展前景，但是并网时需要相对较高的电压，所以需要转换电路具有较高的效率和升压增益。比如：光伏电源是当前发展十分迅速的清洁能源系统，但是单块光伏板的输出电压很低，多光伏面板必须采用串-并联的方式进行联合输出，但是采用这样的方式会使得整个供电系统故障率升高、整机体积过大且效率低。

因此，研究如何利用一个独立的模块得到稳定的高输出电压，成为了一个亟待解决的问题。文献“H Ardi,A Ajami,and M Sabahi.A novel high step-up DC-DCconverter with continuous input current integrating coupled inductor forrenewable energy applications[J].IEEEtransactions on industrial electronics,2018,65(2): 1306-1315”提出了一种具有连续输入电流的耦合电感变换器，但是此变换器是硬开关，具有很高的开关损耗，采用软开关技术是克服开关损耗和提高功率变换器效率的一种有效方法；文献“M Forouzesh,Y Shen,K Yari,Y P Siwakoti,and FBlaabjerg.High-efficiency high step-up DC-DC converter with dual coupledinductors for grid-connected photovoltaic systems[J].IEEEtransactions onpower electronics,2018,33(7):5967-5982”提出了一种带有缓冲电容器有源钳位电路的软开关变换器，尽管性能优异，但包含四个开关管，使结构复杂化并增加成本；文献“S WLee and H L Do.High step-up coupled-inductor cascade boost DC-DC converterwith lossless passive snubber[J].IEEEtransactions on industrial electronics,2018,65(10):7753-7761”提出了一种具有耦合电感的二次升压变换器，采用无源无损缓冲电路来实现软开关性能，虽然它只包含了一个开关管，但使用了相对大量的无源元件。准阻抗源(QZS)网络提供连续的输入电流及其输入和输出共地，因此被广泛应用，文献“M MHaji-Esmaeili,E Babaei,and M Sabahi.High step-up quasi-Z source DC-DCconverter[J].IEEEtransactions on power electronics,2018, 33(12):10563-10571”提出了一种基于QZS网络的高增益变换器，尽管具有较高的电压增益，但含有许多无源元件，而且硬开关操作也将限制效率。

在现有的研究中，已经出现了许多种类型的DC-DC升压变换器电路，他们结构简单且易于控制，但还是无法达到较高、较理想的升压增益。随着研究的深入，出现了一些引入开关电感、耦合电感等单元模块来实现高升压增益的拓扑，但是因为漏感的原因会出现电路电压应力较高，升压效率低等问题。此外还可以通过多级电路进行级联，在较小的直通占空比情况下，获得较高的电压增益，但这样增加了电路中元器件的数量，提高了电路的复杂程度、增加了设计成本、降低了工作效率。因此，寻找一种在较低直通占空比下能够获得较高的升压增益且结构简单、工作效率高的DC-DC变换电路已经成为该领域的研究热点。

发明内容

针对现有技术所存在的不足，本实用新型提出了一种级联开关电容耦合电感高增益DC-DC变换器，该变换器在占空比较小的条件下，能够获得较高的电压增益，且其电压增益调节具有较大的自由度，而且电路结构中使用器件较少，工作效率高、故障率低。同时，钳位结构能够吸收变压器漏感能量，钳制开关管S 上产生的电压尖峰。

为了实现上述目的，本实用新型所述级联开关电容耦合电感高增益DC-DC变换器包括直流电源、三耦合绕组、功率开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容和负载，其中三耦合绕组由第一绕组、第二绕组和第三绕组组成，功率开关管、第一电容、第二电容和第二二极管组成钳位结构；第一绕组的同名端分别与直流电源的正极和第一二极管的阳极连接，第一绕组的异名端分别与功率开关管的漏极和第一电容的负极连接，第二绕组的同名端分别与第一二极管的阴极、第二二极管的阳极和第一电容的正极连接，第二绕组的异名端与第三电容的阴极连接，第三绕组的同名端分别与第三二极管的阴极、第四二极管的阳极和第三电容的正极连接，第三绕组的异名端与第四电容的负极连接；功率开关管的漏极与第一电容的负极连接，功率开关管的源极分别与直流电源的负极、第二电容的负极、第五电容的负极、第六电容和负载连接，第一电容的正极分别与第一二极管的阴极和第二二极管的阳极连接，第二电容的正极分别与第二二极管的阴极和第三二极管的阳极连接，第二电容的负极与电压源的负极共地，第二二极管的阳极与第一二极管的阴极连接，第二二极管的阴极与第三二极管的阳极连接，第三二极管的阴极和第四二极管的阳极连接，第四二极管的阴极分别与第五电容的正极和第五二极管的阳极连接，第五二极管的阴极与第六二极管的阳极连接，第六二极管的阴极分别与第六电容的正极和负载连接。

进一步的，所述第一绕组、第二绕组和第三绕组的匝比为1:n₁:n₂。

进一步的，第二二极管与功率开关管互补导通，钳位结构可以有效钳制功率开关管上产生的电压尖峰。

本实用新型通过控制开关管的导通或截止进行电路工作状态的切换，从而控制直流电源是否向耦合电感模块提供电路工作需要的能量，通过改变占空比的大小以及耦合绕组的匝比，实现输入输出电压增益的变化，耦合绕组具有相互耦合的电感，通过改变对应耦合绕组的匝比，即可实现对所述直流电源的输出电压升压倍数控制。

本实用新型与现有的DC-DC升压变换器电路拓扑结构相比，利用改进后的新型耦合电感单元，通过调节耦合电感绕组的匝数比，避免了极限占空比的出现，实现了小占空比条件下获得高升压增益的理想目的，利用设计的耦合电感绕组的连接方式，减少了电路的电压应力，减少了电磁干扰、增加了电路结构的可靠性，其整体设计合理，使用安全，操作简单，具有较大的应用潜力用，而且使用器件较少，设计成本低，减少了器件损耗，提高了电路的工作效率，基本上达到了设计要求的理想效果。

附图说明：

图1为本实用新型的主体电路结构原理示意图。

图2为本实用新型的功率开关管导通的工作状态示意图。

图3为本实用新型的功率开关管关断的工作状态示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例：

本实施例所述级联开关电容耦合电感高增益DC-DC变换器结构如图1所示，包括直流电源V_g、三耦合绕组、功率开关管S、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第五二极管D₅、第六二极管D_o、第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、第四电容C₄、第五电容C₅、第六电容C_o和负载R_l，其中三耦合绕组由第一绕组N₁、第二绕组N₂和第三绕组N₃组成，功率开关管S、第一电容C₁、第二电容C₂和第二二极管D₂组成钳位结构；第一绕组N₁的同名端分别与直流电源V_g的正极和第一二极管D₁的阳极连接，第一绕组N₁的异名端分别与功率开关管S的漏极和第一电容C₁的负极连接，第二绕组N₂的同名端分别与第一二极管D₁的阴极、第二二极管D₂的阳极和第一电容C₁的正极连接，第二绕组N₂的异名端与第三电容 C₃的阴极连接，第三绕组N₃的同名端分别与第三二极管D₃的阴极、第四二极管D₄的阳极和第三电容C₃的正极连接，第三绕组N₃的异名端与第四电容C₄的负极连接；功率开关管S的漏极与第一电容C₁的负极连接，功率开关管S的源极分别与直流电源V_g的负极、第二电容C₂的负极、第五电容C₅的负极、第六电容C_o和负载R_l连接，第一电容C₁的正极分别与第一二极管D₁的阴极和第二二极管D₂的阳极连接，第二电容C₂的正极分别与第二二极管D₂的阴极和第三二极管D₃的阳极连接，第二电容 C₂的负极与电压源V_g的负极共地，第二二极管D₂的阳极与第一二极管D₁的阴极连接，第二二极管D₂的阴极与第三二极管D₃的阳极连接，第三二极管D₃的阴极和第四二极管D₄的阳极连接，第四二极管D₄的阴极分别与第五电容C₅的正极和第五二极管D₅的阳极连接，第五二极管D₅的阴极与第六二极管D_o的阳极连接，第六二极管D_o的阴极分别与第六电容C_o的正极和负载R_l连接。

本实施例中耦合电感各绕组间的匝数比为n₁＝N₂:N₁,n₂＝N₃:N₁，通过改变耦合绕组的匝数比，可实现更加灵活的高电压转换的能力。

本实施例所述级联开关电容耦合电感高增益DC-DC变换器在连续工作模式的情况下，有两个工作状态：

(1)直通状态时的工作状态如图2所示，功率开关管S、第一二极管D₁、第三二极管D₃、第五二极管D₅导通，第六二极管D_o、第二二极管D₂、第四二极管D₄反向截止，此时直流电源V_g通过功率开关管S为第一绕组N₁提供能量，N₁电流线性增长，并通过第一二极管D₁为第一电容C₁充电，第二电容C₂和第二绕组N₂共同为第三电容C₃和第一电容C₁充电，第五电容C₅和第三绕组N₃共同为第四电容C₄、第三电容C₃和第一电容C₁充电，第六电容C_o为负载R_l提供能量；

(2)截止状态时的工作状态如图3所示，功率开关管S完全关断，第六二极管D_o、第二二极管D₂和第四二极管D₄导通，第一二极管D₁、第三二极管D₃、第五二极管D₅反向截止，此时直流电源V_g、第一绕组N₁与第一电容C₁通过第二二极管D₂为第二电容C₂充电，直流电源V_g、第一绕组N₁、第一电容C₁和第三电容C₃通过第四二极管D₄为第五电容C₅充电，直流电源V_g、第一绕组N₁、第一电容C₁、第三电容C₃和第四电容C₄通过输出第六二极管D_o向第六电容C_o及负载R_l提供能量，当功率开关管S导通信号到来时，该状态结束。

本实施例利用耦合电感第一、二绕组L_N1、L_N2的电感伏秒平衡法则，得到输出电压的表达式：

其中，B为该变换器的电压增益，D为占空比，n为匝比；当设计要求输出电压转换为输入电压的10倍以上时，如果根据传统的Boost电路升压增益的表达式 V_o＝V_g/(1-D)来计算，当达到设计要求的10倍升压增益，此时要求的占空比D必须达到0.9，众所周知此时电路的开关管将处于极限状态下，这样会很容易影响整个电路的工作效率，增加器件损坏的概率，最终影响整个电路的升压转换效率。而在本实施方式中，如果设计要求电路结构能够得到10倍的升压增益，当直通占空比为0.1时，耦合绕组匝数只需满足n₁＝2、n₂＝1.1就可达到输出要求。所以当设计要求得到很高的升压倍数时，避免了极限占空比情况的出现、减少了器件的开关损耗、降低器件损坏的概率、使得变换器拓扑的安全性、可靠性得到了进一步的提高，从而整体上提高了电路的工作效率。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (1)

1.一种级联开关电容耦合电感高增益DC-DC变换器，其特征在于，包括直流电源、三耦合绕组、功率开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容和负载，其中三耦合绕组由第一绕组、第二绕组和第三绕组组成，功率开关管、第一电容、第二电容和第二二极管组成钳位结构；第一绕组的同名端分别与直流电源的正极和第一二极管的阳极连接，第一绕组的异名端分别与功率开关管的漏极和第一电容的负极连接，第二绕组的同名端分别与第一二极管的阴极、第二二极管的阳极和第一电容的正极连接，第二绕组的异名端与第三电容的阴极连接，第三绕组的同名端分别与第三二极管的阴极、第四二极管的阳极和第三电容的正极连接，第三绕组的异名端与第四电容的负极连接；功率开关管的漏极与第一电容的负极连接，功率开关管的源极分别与直流电源的负极、第二电容的负极、第五电容的负极、第六电容和负载连接，第一电容的正极分别与第一二极管的阴极和第二二极管的阳极连接，第二电容的正极分别与第二二极管的阴极和第三二极管的阳极连接，第二电容的负极与电压源的负极共地，第二二极管的阳极与第一二极管的阴极连接，第二二极管的阴极与第三二极管的阳极连接，第三二极管的阴极和第四二极管的阳极连接，第四二极管的阴极分别与第五电容的正极和第五二极管的阳极连接，第五二极管的阴极与第六二极管的阳极连接，第六二极管的阴极分别与第六电容的正极和负载连接。

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