一种基于举升单元的多输入高增益Z源变换器的制作方法

本发明涉及电力电子变换器的技术领域，尤其是指一种基于举升单元的多输入高增益z源变换器。

背景技术：

在工业生产领域和新能源发电领域中，往往需要大功率、高增益的变换器进行电能变换。但是传统的boost电路受寄生参数、开关应力等因素的影响，以及其本身的非线性特性的制约，输出电压增益有限。同时，在光伏发电领域，由于光伏板在地理位置上分布不一致，需要在多个位置接入光伏电源。而传统的boost只有一个电源接口，往往通过多个光伏板输出电压串联的形式接入到boost电路中，一个光伏板故障会影响整体的输出电压，从而降低了电路的可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供了一种基于举升单元的多输入高增益z源变换器，适用于需要多输入和高增益的电力电子电路。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于举升单元的多输入高增益z源变换器，所述z源变换器包括依次相接的z源升压模块、举升升压模块、输出模块，所述z源升压模块由第一电源、第二电源、第三电源、第四电源、第五电源、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第一二极管和开关管构成，所述举升升压模块由第二二极管和第三电容构成，所述输出模块由第三二极管、第四电容和负载构成；所述第一电源的正极和第一二极管的阳极连接，其负极分别与第二电容的负极和第二电感的一端连接；所述第一二极管的阴极分别与第一电感的一端、第一电容的正极和第二二极管的阳极连接；所述第二电源的负极和第一电感的另一端连接，其正极分别与第二电容的正极、第五电源的负极连接；所述第五电源的正极分别与开关管的漏极和第三电容的负极连接；所述第三电源的负极分别与开关管的源极、第四电容的负极和负载的一端连接，其正极分别与第一电容的负极和第四电源的负极连接；所述第四电源的正极与第二电感的另一端连接；所述第二二极管的阴极分别与第三电容的正极和第三二极管的阳极连接；所述第三二极管的阴极分别与第四电容的正极和和负载的另一端连接；

其中，在单个输入的情况下，所述z源变换器只需要一个电源，其他电源短接或输入值为零，即第一电源、第二电源、第三电源、第四电源和第五电源中保留任意一个电源作为输入，而其他四个电源短接或输入值为零；同理，在双输入的情况下，所述z源变换器只需要两个电源，其他电源短接或输入值为零，即第一电源、第二电源、第三电源、第四电源和第五电源中保留任意两个电源作为输入，而其他三个电源短接或输入值为零；同理，在三输入的情况下，所述z源变换器只需要三个电源，其他电源短接或输入值为零，即第一电源、第二电源、第三电源、第四电源和第五电源中保留任意三个电源作为输入，而其他两个电源短接或输入值为零；同理，在四输入的情况下，所述z源变换器只需要四个电源，其他电源短接或输入值为零，即第一电源、第二电源、第三电源、第四电源和第五电源中保留任意四个电源作为输入，而其他电源短接或输入值为零；同理，在五输入的情况下，所述z源变换器第一电源、第二电源、第三电源、第四电源和第五电源均保留。

所述第一电源和第一二极管依次串联构成一个支路，在同一个支路内，第一电源和第一二极管的位置能够交换，但依据电流的流向必须是第一电源的正极串联第一二极管的阳极，或第一二极管的阴极串联第一电源的负极；所述第二电源和第一电感依次串联构成一个支路，在同一个支路内，第二电源和第一电感的位置能够交换，但依据电流的流向必须是第一电感的另一端串联第二电源的负极，或第二电源的正极串联第一电感的一端；所述第四电源与第二电感的依次串联构成一个支路，在同一个支路内，第四电源和第二电感的位置能够交换，但依据电流的流向必须是第四电源的正极串联第二电感的另一端，或第二电感的一端串联第四电源的负极。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明只用了一个开关管，实现了较高的电压增益，降低了二极管和开关管的电压应力。

2、本发明提供多个电源输入接口，在新能源等领域具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明所述多输入高增益z源变换器的电路原理图。

图2a、图2b分别是本发明所述多输入高增益z源变换器在开关管s导通和关断中两个主要阶段的等效电路图，图中实线表示变换器中有电流流过的部分，虚线表示变换器中无电流流过的部分。

图3是本发明电路的仿真主要工作波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

参见图1所示，本实施例所提供的多输入高增益z源变换器，包括依次相接的z源升压模块、举升升压模块、输出模块，所述z源升压模块由第一电源vi1、第二电源vi2、第三电源vi3、第四电源vi4、第五电源vi5、第一电感l1、第二电感l2、第一电容c1、第二电容c2、第一二极管d1和开关管s构成，所述举升升压模块由第二二极管d2和第三电容c3构成，所述输出模块由第三二极管d3、第四电容c4和负载r构成。第一电源vi1的正极和第一二极管d1的阳极连接；第一电源vi1的负极分别与第二电容c2的负极和第二电感l2的一端连接；第一二极管d1的阴极分别与第一电感l1的一端、第一电容c1的正极和第二二极管d2的阳极连接；第二电源vi2的负极和第一电感l1的另一端连接；第二电源vi2的正极分别与第二电容c2的正极、第五电源的负极vi5连接；第五电源的正极vi5分别与开关管s的漏极和第三电容c3的负极连接；第三电源vi3的负极分别与开关管s的源极、第四电容c4的负极和负载r的一端连接；第三电源vi3的正极分别与第一电容c1的负极和第四电源vi4的负极连接；第四电源vi4的正极与第二电感l2的另一端连接；第二二极管d2的阴极分别与第三电容c3的正极和第三二极管d3的阳极连接；第三二极管d3的阴极分别与第四电容c4的正极和和负载r的另一端连接。

开关管s导通时，第二电源vi2、第三电源vi3、第五电源vi5和第一电容c1对第一电感l1充电；第三电源vi3、第四电源vi4、第五电源vi5和第二电容c2对第二电感l2充电；第一电容c1和第三电源vi3通过第二二极管d2对第三电容c3充电；第四电容c4给负载r供电。开关管s关断时，第一电源vi1、第二电源vi2和第一电感l1通过第一二极管d1对第二电容c2充电；第一电源vi1、第四电源vi4和第二电感l2通过第一二极管d1对第一电容c1充电；第一电源vi1、第二电源vi2、第三电源vi3、第四电源vi4、、第五电源vi5、第一电感l1、第二电感l2和第三电容c3通过第一二极管d1和第三二极管d3对第四电容c4充电，同时给负载r供电。本发明具有较高的电压增益，同时可以实现多个输入。

参见图2a、图2b所示，给出了开关管s导通和关断中两个主要阶段的等效电路，结合图2a、图2b，本实施例上述多输入高增益z源变换器的工作过程如下：

阶段1，如图2a：开关s导通，此时第二二极管d2导通，第一二极管d1和第三二极管d3关断；电路中形成4个回路，分别是：第二电源vi2、第三电源vi3、第五电源vi5和第一电容c1对第一电感l1充电；第三电源vi3、第四电源vi4、第五电源vi5和第二电容c2对第二电感l2充电；第一电容c1和第三电源vi3通过第二二极管d2对第三电容c3充电；第四电容c4给负载r供电。

阶段2，如图2b：开关s关断，此时第一二极管d1和第三二极管d3导通，第二二极管d2关断；电路中形成3个回路，分别是：第一电源vi1、第二电源vi2和第一电感l1通过第一二极管d1对第二电容c2充电；第一电源vi1、第四电源vi4和第二电感l2通过第一二极管d1对第一电容c1充电；第一电源vi1、第二电源vi2、第三电源vi3、第四电源vi4、第五电源vi5、第一电感l1、第二电感l2和第三电容c3通过第一二极管d1和第三二极管d3对第四电容c4充电，同时给负载r供电。

综上情况，一个开关周期内，设开关管占空比为d，设第一电感l1、第二电感l2、第一电容c1、第二电容c2和第三电容c3两端的电压分别为vl1、vl2、vc1、vc2、vc3，设输出电压为vo，得出以下电压增益的推导过程。

开关管s导通期间，对应阶段1所述的工作情形，因此有如下公式：

vl1＝vc1+vi2+vi3+vi5(1)

vl2＝vc2+vi3+vi4+vi5(2)

vc3＝vc1+vi3(3)

开关管s关断期间，对应阶段2所述的工作情形，因此有如下公式：

vl1＝vi1+vi2-vc2(4)

vl2＝vi1+vi4-vc1(5)

vo＝vc1+vc2+vc3-vi1+vi3+vi5(6)

由以上分析，根据电感的伏秒平衡原理，有，

对于第一电感l1：

(vc1+vi2+vi3+vi5)d+(vi1+vi2-vc2)(1-d)＝0(7)

对于第二电感l2：

(vc2+vi3+vi4+vi5)d+(vi1+vi4-vc1)(1-d)＝0(8)

联立式子(3)、(6)、(7)、(8)，可得到该电路的输出电压表达式为：

由式子(9)可知，本发明提出的基于举升单元的多输入高增益z源变换器，电源的位置会影响输出电压的权值，第一电源、第三电源和第四电源均能实现电压增益为第二电源和第五电源能实现电压增益为而传统的boost电路只能实现单输入电压转换，增益为可见，与boost电路相比，本发明在占空比d小于0.5的情况下，能实现较大的电压增益。

例如，在第一电源vi1＝1v，第二电源vi2＝2v，第三电源vi3＝3v，第四电源vi4＝4v，第五电源vi5＝5v，占空比d＝0.2的情况下，由式(9)得到的输出电压的理论分析结果为vo＝38v。图3所示对应参数下的仿真波形，可以看出输出电压的仿真结果也接近38v，从而验证了理论分析的正确性。在占空比d＝0.2的情况下，对于第一、第三和第四输入电源，其电压增益为3；对于第二和第五输入电源，其电压增益为2。而传统boost电路只能单输入，其电压增益为1.25。可见在占空比小于0.5的情况下，本发明的电压增益超过传统boost电路。同时，由于本发明可以在多个位置放置电源，克服了在新能源领域由于电源分布位置的不一致所引发的问题，具有较高的实用价值。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。