专利名称：：三电平Boost变换器升压电感的选值方法
技术领域：
：本发明属于直流变换器设计领域，涉及电力电子领域的相关技术。
背景技术：
：Boost变换器由于其拓扑结构和控制策略简单，被广泛应用于相关领域。随着电力电子技术的发展和对变换器容量要求的不断提升，三电平技术与Boost变换器相结合，形成三电平Boost变换器，拓扑结构如图l所示。相比于普通的Boost变换器，三电平Boost变换器具有更高的容量；其中的开关器件和二极管承受的电压应力更小；在具有相同的升压电感时，电感电流纹波更小；在具有相同的直流侧电容时，电容电压纹波更小。在负载或负载范围以及开关频率确定的情况下，三电平Boost变换器工作模式取决于升压电感的选值。由于三电平Boost变换器具有两个开关器件，因此在计算不同工作模式间临界电感时，除要考虑升压比d外，还要考虑两个开关信号间的相差e。
发明内容为解决上述问题，使变换器工作于预期的模式，本发明给出了三电平Boost变换器临界升压电感的计算公式，对升压电感的选值进行量化。技术方案如下—种三电平Boost变换器升压电感的选值方法，包括如下步骤(1)确定三电平Boost变换器的预期工作模式，为连续导电模式还是不连续导电模式，若为连续导电模式，则确定工作模式是电感独立供能模式还是电感-电容供能模式；设变换器的开关信号间的相差为e，升压比为d，输出电压为V。，等效输出电流为I。，开关周期为L，则计算不连续导电模式和连续导电模式的临界电感值的公式如下乙乙4;r厂r,r7。r2/、乂丄j,2,4;r1262+(2;r_。262+(2;r_。2<i<0.<i>0.计算电感独立供能模式与电感4;r电容供能模式间的临界电感的公式如下丄ntt2/—、八262+(2;r_。2(l_d)2262+(2;r_^)2<i<0.<i>0.(2)根据变换器的工作模式及相关参数确定升压电感取值当d的范围为(0，1)，9的范围为(0，2ji)时，对以上公式分别求取极大值，可得到Ld、Lc2、L'd和L'C2的极大值LcL'和L';若采用连续导电模式，选取电感值大于Lamax和Lramax中的大者；若采用电感独立供能模式，则选取电感值大于L'上述的步骤2中，Clmax和L'C2max中的大者。3当J"3-V^)/6，且9=0或2^1时，得到Ld的最大值Ld隨，即d〈0.5时连续导电模式与不连续导电模式间临界电感的最大值；当d趋近于零，且e=0或2^1时，可得到L'd的最大值L'd,，即cK0.5时电感独立供能模式与电感-电容供能模式间临界电感的最大值；当d=2/3，且e=0或2Ji时，得到LC2的最大值LC2max，即d>0.5时连续导电模式与不连续导电模式间临界电感的最大值；当^=(1+#)/8且9=0或2^1时，可得到L'C2的最大值L'^，即(1>0.5时电感独立供能模式与电感-电容供能模式间临界电感的最大值。根据本发明给出的三电平Boost变换器不同模式间临界升压电感的计算公式和变换器的相关参数可较为准确地计算出临界电感的感值，由不同模式间的临界电感，并结合变换器所要求的工作模式可合理地选取升压电感的感值，从而有效地避免由于电感过小无法满足变换器设计要求或电感过大造成的材料浪费。图1为三电平Boost变换器拓扑结构。图2为三电平Boost变换器工作于连续导电和不连续导电模式临界状态时的主要波形示意图，其中(a)为d<0.5的情况，(b)为d>0.5的情况。图3为三电平Boost变换器工作于电感独立供能和电感-电容供能模式临界状态时的主要波形示意图，其中(a)为d<0.5的情况，(b)为d>0.5的情况。具体实施例方式三电平Boost变换器与常规的Boost变换器相比同样存在不连续导电模式(DCM)和连续导电模式(CCM)，当电感电流最小值大于零时，变换器即工作于CCM，否则工作于DCM，CCM与DCM临界状态时的主要波形示意图如图2所示；连续导电模式中又可分为电感独立供能模式和电感_电容供能模式，当电感电流最小值大于变换器输出电流时，则变换器工作于电感独立供能模式，当电感电流最小值大于零且小于输出电流时，则变换器工作于电感-电容供能模式，电感独立供能模式和电感_电容供能模式临界状态时的主要波形示意图如图3所示。变换器的工作模式主要取决于升压电感的大小。当负载情况保持相对稳定，开关频率保持恒定时，不同模式间的临界电感除了与升压比d(相差等于Ji时，d即占空比)有关，还与开关信号间的相差e有关，公式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>4;r乂J其中，LC1为d<0.5时DCM与CCM之间的临界电感；LC2为d>0.5时DCM与CCM之间的临界电感；L'a为d<0.5时电感独立供能模式与电感-电容供能模式之间的临界电感；L'C2为d>0.5电感独立供能模式与电感_电容供能模式之间的临界电感；TS为开关周期；V。为输出电压；1。为等效输出电流平均值。在选取升压电感时，首先需要确定变换器工作模式。变换器工作于CCM模式时，电感电流纹波较小；而如果对变换器输出电压要求较高时，应使变换器工作于电感独立供能模式，此时变换器输出电压纹波较小。然后根据变换器的工况，确定其最大负载状况，由此可确定V。/I。的最大值；由于变换器工作过程中开关周期是恒定的，则Ts也可确定。因此临界电感可以看做d和9的函数，其中d的取值范围为(O，l)，9的取值范围(0，2ji)，上述公式分别对d和e求取偏导数并令其等于0，通过求解方程，可以得到对应于1^、1^、L'C1和L'^最大值的d和e值，结果如下(1)d〈0.5的情况。当^=(3-V^)/6，且9=0或2^1时，可得到Ld的最大值Ldm^，S卩CCM与DCM间临界电感的最大值；当d趋近于零，且e=0或2^1时，可得到L'C1的最大值L'^，即电感独立供能模式与电感_电容供能模式间临界电感的最大值。(2)d>0.5的情况。当(1=2/3，且e二0或2ji时，可得到LC2的最大值LC2max，即CCM与DCM间临界电感的最大值；当^"l+V^)/8且9二0或2ji时，可得到L'C2的最大值L'&，即电感独立供能模式与电感_电容供能模式间临界电感的最大值。由上述两种情况可知，当d在(0，1)之间、e在(0，2Ji)之间变化时，如果升压电感满足L>maX[Lclmax，LC2max]则能保证变换器工作于CCM模式，其中max[]为最大值函数。同理，如果升压电感满足L〉max[L'Clniax，L'C2max]则能保证变换器不但工作于CCM模式，而且能保证变换器工作于电感独立供能模式。如果d和e在较小的取值范围内变化时，可在相应的d和e的范围内求取临界电感最大值，根据所要求的工作模式，按照上述方法选取升压电感；如果变换器工作过程中d和9是恒定的，那么可直接根据公式(1)和(2)计算出不同模式间的临界电感Ld、L^、L'ei和L'^如果升压电感满足L>max[Lei，Le2]则能保证变换器工作于CCM模式；如果升压电感满足L〉max[L'a，L'C2]则能保证变换器工作于电感独立供能模式。权利要求一种三电平Boost变换器升压电感的选值方法，包括如下步骤(1)确定三电平Boost变换器的预期工作模式，为连续导电模式还是不连续导电模式，若为连续导电模式，则确定工作模式是电感独立供能模式还是电感-电容供能模式；设变换器的开关信号间的相差为θ，升压比为d，输出电压为Vo，等效输出电流为Io，开关周期为Ts，则计算不连续导电模式和连续导电模式的临界电感值的公式如下<mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><msub><mi>L</mi><mrow><mi>C</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mi>o</mi></msub><msub><mi>T</mi><mi>s</mi></msub></mrow><mrow><mn>4</mn><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>I</mi><mi>o</mi></msub></mrow></mfrac><mi>d</mi><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>d</mi><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mo>-</mo><mi>d</mi><mo>)</mo></mrow><mo>[</mo><msup><mi>θ</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mo>-</mo><mi>θ</mi><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>]</mo></mtd><mtd><mi>d</mi><mo><</mo><mn>0.5</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>L</mi><mrow><mi>C</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mi>o</mi></msub><msub><mi>T</mi><mi>s</mi></msub></mrow><mrow><mn>4</mn><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>I</mi><mi>o</mi></msub></mrow></mfrac><msup><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>d</mi><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mi>d</mi><mo>-</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>[</mo><msup><mi>θ</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mo>-</mo><mi>θ</mi><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>]</mo></mtd><mtd><mi>d</mi><mo>></mo><mn>0.5</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced>计算电感独立供能模式与电感-电容供能模式间的临界电感的公式如下<mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><msubsup><mi>L</mi><mrow><mi>C</mi><mn>1</mn></mrow><mo>′</mo></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mi>o</mi></msub><msub><mi>T</mi><mi>s</mi></msub></mrow><mrow><mn>4</mn><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>I</mi><mi>o</mi></msub></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>d</mi><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mo>-</mo><mi>d</mi><mo>)</mo></mrow><mo>[</mo><msup><mi>θ</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mo>-</mo><mi>θ</mi><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>]</mo></mtd><mtd><mi>d</mi><mo><</mo><mn>0.5</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><msubsup><mi>L</mi><mrow><mi>C</mi><mn>2</mn></mrow><mo>′</mo></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mi>o</mi></msub><msub><mi>T</mi><mi>s</mi></msub></mrow><mrow><mn>4</mn><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>I</mi><mi>o</mi></msub></mrow></mfrac><mfrac><mrow><msup><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>d</mi><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mi>d</mi><mo>-</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>d</mi></mfrac><mo>[</mo><msup><mi>θ</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mo>-</mo><mi>θ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mtd><mtd><mi>d</mi><mo>></mo><mn>0.5</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced>(2)根据变换器的工作模式及相关参数确定升压电感取值当d的范围为(0，1)，θ的范围为(0，2π)时，对以上公式分别求取极大值，可得到LC1、LC2、L′C1和L′C2的极大值LC1max、LC2max、L′C1max和L′C2max；若采用连续导电模式，选取电感值大于LC1max和LC2max中的大者；若采用电感独立供能模式，则选取电感值大于L′C1max和L′C2max中的大者。2.根据权利要求l所述的三电平Boost变换器升压电感的选值方法，其特制在于，步骤2中，当J"3-V^)/6，且e二0或2ji时，得到Ld的最大值Lc^，即d〈0.5时连续导电模式与不连续导电模式间临界电感的最大值；当d趋近于零，且e=0或2^1时，可得到L'd的最大值L'^，即(1<0.5时电感独立供能模式与电感-电容供能模式间临界电感的最大值；当d=2/3，且e=0或2时，得到LC2的最大值LC2max，即d>0.5时连续导电模式与不连续导电模式间临界电感的最大值；当^"l+V^)/8且9=0或2^1时，可得到L'C2的最大值L'C2max，即d>0.5时电感独立供能模式与电感_电容供能模式间临界电感的最大值。全文摘要本发明属于直流变换器设计领域，涉及一种三电平Boost变换器升压电感的选值方法，包括如下步骤确定三电平Boost变换器的预期工作模式，为连续导电模式还是不连续导电模式，若为连续导电模式，则确定工作模式是电感独立供能模式还是电感-电容供能模式，给出计算不连续导电模式和连续导电模式的临界电感值的公式和计算电感独立供能模式与电感-电容供能模式间的临界电感的公式；根据临界电感公式、变换器的工作模式及相关参数确定升压电感取值。根据本发明给出的方法，可合理地选取升压电感的感值，从而有效地避免由于电感过小无法满足变换器设计要求或电感过大造成的材料浪费。文档编号H02M3/06GK101789688SQ201010138180公开日2010年7月28日申请日期2010年4月2日优先权日2010年4月2日发明者史婷娜,夏长亮,谷鑫申请人:天津大学