一种基于开关电感的准开关升压DC/DC变换器的制作方法

本实用新型涉及DC/DC变换器领域，具体涉及一种基于开关电感的准开关升压DC/DC变换器。

背景技术：

随着能源效率越来越受到重视，新能源发电取得了长足的发展，然而像太阳能，风能和燃料电池等清洁能源发电的输出直流电压一般较低，无法直接用于逆变并网或某些高电压等级的负载供电，因此，需要高增益的DC/DC变换器来将低输出电压进行抬升。传统的Boost变换器因为结构简单常被用于升压电路，但要实现高增益，其开关管的占空比往往较大，这不利于系统的能源转换效率的提高。近年所提出的准开关升压网络，仅含用一个电感和一个电容，可以实现和传统Z源网络相同的升压能力，而将准开关升压网络用于DC-DC电路中，对其进行适当的改造，结合相应的开关电感升压技术，可以使其升压能力得到进一步的提升。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于开关电感的准开关升压DC/DC变换器，具体技术方案如下。

一种基于开关电感的准开关升压DC/DC变换器，包括第一二极管、第一开关管、直流输入电源、第一电感、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第二电感、第五二极管、电容、第六二极管、第二开关管、输出电容和负载；所述的第一二极管的阴极与直流输入电源的负极和第一开关管的源极连接；所述的直流输入电源的正极与第一电感的一端、第二二极管的阳极和第六二极管阳极连接；所述的第一电感的另一端与第三二极管的阳极、第四二极管的阳极连接；第三二极管的阴极与第二电感的一端、第二二极管的阴极连接；所述的第二电感的另一端与第四二极管阴极、第五二极管的阳极、第二开关管的漏极连接；所述的输出电容的一端、第六二极管的阴极和负载的一端连接；所述的第五二极管的阴极与第一开关管的漏极和电容的一端连接；所述电容的另一端与第一二极管的阳极、第二开关管的源极、输出电容的另一端和负载的另一端连。

本实用新型电路具体的连接方式为：所述的第一二极管的阴极与直流输入电源的负极和第一开关管的源极连接；所述的直流输入电源的正极与第一电感的一端、第二二极管的阳极和第六二极管阳极连接；所述的第一电感的另一端与第三二极管的阳极、第四二极管的阳极连接；第三二极管的阴极与第二电感的一端、第二二极管的阴极连接；所述的第二电感的另一端与第四二极管阴极、第五二极管的阳极、第二开关管的漏极连接；所述的输出电容的一端、第六二极管的阴极和负载的一端连接；所述的第五二极管的阴极与第一开关管的漏极和电容的一端连接；所述电容的另一端与第一二极管的阳极、第二开关管的源极、输出电容的另一端和负载的另一端连。

该变换器稳态输出时的电压增益G为：

其中V_o表示变换器负载侧的输出电压，V_i为输入直流电压源，D为占空比。

与现有技术相比，本实用新型电路具有如下优点和技术效果：相比于传统的Z源升压DC/DC变换器和开关电感型准Z源DC/DC变换器在相同的占空比和输入电压的情况下，具有更高的输出电压，即相同的输入电压和输出电压条件下，本实用新型电路只需要较小的占空比就可以将低等级电压升至高等级的电压，而且结构简单，两个开关管同步工作，控制方便，开关管和二极管的电压应力小，工作效率高，因此本实用新型电路具有很广泛的应用前景。

附图说明

图1是一种基于开关电感的准开关升压DC/DC变换器电路图。

图2是一个开关周期主要元件的电压电流波形图。

图3a、图3b是图1所示电路分别在第一开关管和第二开关管同时导通、第一开关管和第二开关管同时关断时，在一个开关周期内电路模态图。

图4是本实用新型实例中所述变换器与开关电感型准Z源DC/DC变换器、Z源升压DC/DC变换器和Boost变换器的V_o/V_i随占空比D变化的波形图。

图5是本实用新型电路在D＝0.25时稳态工作的相关变量的MATLAB/simulink仿真波形图。

具体实施方式

以下结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述说明，但本实用新型的实施方式不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或参数，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。

本实用新型的基本拓扑结构和各主要元件电压电流参考方向如图1所示。为了分析方便，电路结构中的器件均视为理想器件。一种基于开关电感的准开关升压DC/DC变换器，其包含第一二极管D₁、第一开关管S₁、直流输入电源V_in、第一电感L₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第二电感L₂、第五二极管D₅、电容C、第六二极管D₆、第二开关管S₂、输出电容C_o和负载R_L。

本实例中设定第一、第二开关管的驱动信号为V_g、输入电压为V_i、输出电压为V_o、电容电压为V_C，第一电感、第二电感电流为i_L1、i_L2，第六二极管电流为i_D6，第一、第三、第五二极管电流为i_D1、i_D3、i_D5，第二、第四二极管电流为i_D2、i_D4。设定第一、第二开关管导通时的占空比为D，设定输出电压增益为G，设定开关周期为T_s。波形图如图2所示。

一种基于开关电感的准开关升压DC/DC变换器，在一个开关周期(t₀～t₂)内不同阶段的2个工作模态，分别描述如下：

工作模态1(t₀～t₁)：如图3a所示，第一、第二开关管同步动作，其驱动电压V_g从低电平变为高电平，第一、第二开关管导通，第一、第三、第五二极管承受反向电压截止，第二、第四、第六二极管承受正向电压导通，直流输入电源V_in和电容C通过第一、第二开关管给第一、第二电感充电，同时通过第六二极管向输出电容C_o和负载R_L供电。

工作模态2(t₁～t₂)：如图3b所示，第一、第二开关管同步动作，其驱动电压V_g从高电平变为低电平，第一、第二开关管关断，第一、第三、第五二极管承受正向电压导通，第二、第四、第六二极管承受反向电压截止，直流输入电源V_in和第一、第二电感通过第一、第三、第五二极管给电容C充电，同时输出电容C_o向负载R_L供电。

根据以上分析，由于第一、第二电感大小一样，运用伏秒平衡原理，即电感电压在一个开关周期内的平均值为零，因此得到式(1)，由式(1)得到输入电压V_i与电容电压V_C关系式(2)。在开关管导通的区间，输出电压V_o等于输入电压V_i和电容电压V_C之和，所以根据关系式(2)可以进一步得到输出电压V_o和输入电压V_i的关系式为式(3)。

则本实用新型所述的一种基于开关电感的准开关升压DC/DC变换器稳态输出时的电压增益G为：

传统Boost变换器、Z源升压DC/DC变换器和开关电感型准Z源DC/DC变换器的稳态增益为1/(1-D)、(1-D)/(1-2D)和(1+D)/(1-3D)(D为占空比)，本实例电路与与传统Boost变换器、Z源升压DC/DC变换器和开关电感型准Z源DC/DC变换器的稳态增益比较图如图4所示，由图可知，本实用新型电路在占空比D不超过0.33的情况下，输出电压增益G就可以达到很大，明显高于其他两种变换器的电压增益。另外由于本实用新型电路的开关管同步动作，只需要一路驱动信号就可以实现。

以V_i＝10V，占空比D＝0.25为例，给出了本实用新型电路中相关变量的仿真结果如图5所示。D＝0.25时，对应的输出电压增益G＝6，电容电压V_C＝50V，开开关管电压应力V_S1＝V_S2＝50V，输出电压V_o＝60V。

综上所述，本实用新型提出的一种基于开关电感的准开关升压DC/DC变换器，结构简单，控制简单，具有较高的稳态增益，适用于非隔离型高增益直流电压变换场合。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何为背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。