一种输入电流连续有源开关电容Z源升压斩波电路的制作方法

本实用新型涉及DC/DC变换器领域，具体涉及一种输入电流连续有源开关电容Z源升压斩波电路。

背景技术：

在光伏电池和燃料电池等可再生能源发电系统中，需要高电压增益的DC/DC变换器来升高其输出电压，以驱动直流负载或逆变器。传统的DC/DC升压变换器受到开关占空比、元件电压应力等的限制，无法实现高电压增益和高输出电压。以Boost电路为例，其电压增益为1/(1-D)(D为占空比)，当占空比接近于1时才能获得较高的电压增益；其开关和二极管的电压应力等于输出电压，当输出电压较高时，电压应力也较大。近年来新出现的DC/DC变换器通过使用单个Z源或准Z源网络进行升压，得到了更高的电压增益，如共地的高增益Z源变换器的电压增益为(2-2D)/(1-2D)(D为占空比)，但是其电压增益依旧有提升的空间。在以上电路的基础上，出现了基于多个Z源和准Z源的DC/DC变换器，如Hybrid Z源DC/DC变换器，其电压增益得到进一步提升达到1/(1-4D)(D为占空比)，但是使用的电感和电容较多。同时，以上所有的基于单个或多个Z源和准Z源的DC/DC变换器均未明显降低开关的电压应力，因此输出电压幅值受到限制。

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，提出输入电流连续的包含有源开关电容的Z源升压斩波电路。

本实用新型的目的通过如下技术方案实现。

本实用新型电路中具体包括直流输入电源Vin、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第三电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一开关管、第二开关管、输出电容和负载。

本实用新型电路具体的连接方式为：直流输入电源Vin的正极和第一电感的源极、第一二极管的阴极和第二电容的一端连接；第一开关管的漏极、第二二极管的阴极和第三电容的一端连接；第二开关管的源极、第一二极管的阳极和第三电容的另一端连接；第一电感的另一端、第一电容的一端、第三二极管的阳极、输出电容的一端和负载的负极连接；第一电容的另一端、第二二极管的阳极、第二开关管的漏极和第二电感的一端连接；第二电感的另一端、第二电容的另一端、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、输出电容的另一端和负载的正极连接。

与现有技术相比，本实用新型电路具有的优势为：在电压增益上，相比于电压增益为M＝1/(1-D)的传统的Boost变换器、电压增益为M＝(2-2D)/(1-2D)的共地的高增益Z源变换器和电压增益为M＝1/(1-4D)的Hybrid Z源变换器等DC/DC变换器，具有更高的电压增益，其电压增益为M＝2/(1-4D)；在开关电压应力上，相比于开关电压应力为Vs＝Vout的传统的Boost变换器、开关电压应力为Vs＝Vout-Vin的共地的高增益Z源变换器和开关电压应力为Vs＝Vout的Hybrid Z源变换器等DC/DC变换器，具有更小的开关电压应力，其电压应力为Vs＝Vout/2。当输入电压和输出电压相同时，本实用新型电路的开关占空比较小，开关应力较小，并且输入电流连续，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为一种输入电流连续有源开关电容Z源升压斩波电路结构图。

图2为一个开关周期主要元件的电压电流波形图。

图3a～3b为一个开关周期内电路模态图。

图4为本实用新型提出的电路、Boost变换器、共地的高增益Z源变换器和Hybrid Z源变换器的电压增益与占空比D的关系图。

图5为本实用新型提出的电路、Boost变换器、共地的高增益Z源变换器和Hybrid Z源变换器的开关电压应力与输入电压的比值Vs/Vin与电压增益的关系图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方案进行具体说明，但本实用新型的实施不限于此，需指出的是以下若有未特别详细说明之符号或过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。

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。

一种输入电流连续有源开关电容Z源升压斩波电路，其包括直流输入电源Vin、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一开关管S1、第二开关管S2、输出电容Cout和负载。所述的直流输入电源Vin的正极和第一电感L1的一端连接；所述的直流输入电源Vin的负极、第一开关管S1的源极、第一二极管D1的阴极和第二电容C2的一端连接；所述的第一开关管S1的漏极、第二二极管D2的阴极和第三电容C3的一端连接；

所述的第二开关管S2的源极、第一二极管D1的阳极和第三电容C3的另一端连接；

所述的第一电感L1的另一端、第一电容C1的一端、第三二极管D3的阳极、输出电容Cout的一端和负载的负极连接；所述的第一电容C1的另一端、第二二极管D2的阳极、第二开关管S2的漏极和第二电感L2的一端连接；所述的第二电感L2的另一端、第二电容C2的另一端、第三二极管D3的阴极和第四二极管D4的阳极连接；所述的第四二极管D4的阴极、输出电容Cout的另一端和负载的正极连接。

为了分析方便，电路结构中的器件均视为理想器件。第一开关管S1和第二开关管S2的驱动信号VGS、第一二极管D1电流iD1、第二二极管D2电流iD2、第三二极管D3电流iD3、第四二极管D4电流iD4、第一电感L1电流iL1、第二电感L2电流iL2、第一电容C1电压VC1、第二电容C2电压VC2、第三电容C3电压VC3、输出电容Cout电压VCo和输出电压Vout的波形图如图2所示。

在t0～t1阶段，变换器在此阶段的模态图如图3a所示，第一开关管S1和第二开关管S2的驱动信号VGS为高电平，第一开关管S1和第二开关管S2导通，第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3承受反向电压截止，第四二极管D4承受正向电压导通。直流输入电源Vin、第一电容C1和第三电容C3通过第一开关管S1和第二开关管S2向第一电感L1充电，第二电容C2和第三电容C3通过第一开关管S1和第二开关管S2向第二电感L2充电，第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3通过第一开关管S1、第二开关管S2和第四二极管D4向输出电容Cout充电和向负载供电。

在t1～t2阶段，变换器在此阶段的模态图如图3b所示，开关管S的驱动信号VGS为低电平，第一开关管S1和第二开关管S2关断，第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3承受正向电压导通，第四二极管D4承受反向电压截止。直流输入电源Vin和第一电感L1通过第三二极管D3给第二电容C2充电，第二电感L2通过第三二极管D3给第一电容C1充电，直流输入电源Vin、第一电感L1和第二电感L2通过第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3给第三电容C3充电，输出电容Cout向负载供电。

本实用新型电路的电压增益计算如下。

由第一电感L1与第二电感L2的电压在一个开关周期内的平均值为零，可得到下列关系式。

(Vin+VC1+VC3)ton+(Vin-VC2)toff＝0 (1)

(VC2+VC3)ton+(VC2-VC3)toff＝0 (2)

(Vin+VC1+VC2+2VC3)ton+(Vin-VC1-VC2)toff＝0 (3)

(Vout+Vin+VC3)ton+(Vin-VC3)toff＝0 (4)

联立求解式(1)、(2)、(3)、(4)可得到输出电压Vout与直流输入电压Vin和开关占空比D的关系。

传统Boost变换器的电压增益为1/(1-D)(D为占空比)，共地的高增益Z源变换器的电压增益为(2-2D)/(1-2D)(D为占空比)，Hybrid Z源DC/DC变换器的电压增益为1/(1-4D)(D为占空比)，本实用新型所提电路与Boost变换器、共地的高增益Z源变换器和Hybrid Z源DC/DC变换器的稳态增益比较图如图4所示，从图4可知，在相同的条件下，本电路的电压增益最高。

本实用新型电路的开关管电压应力计算如下。

第一开关管S1和第二开关管S2关断的时候，开关管电压应力VS1和VS2为

VS1＝VS2＝VC3 (6)

联立求解式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)可以得到第一开关管S1和第二开关管S2电压应力为

传统Boost变换器的开关管电压应力为Vs＝Vout，共地的高增益Z源变换器的开关管电压应力为Vs＝Vout-Vin，Hybrid Z源DC/DC变换器的开关管电压应力为Vs＝Vout，本实用新型所提电路与Boost变换器、共地的高增益Z源变换器和Hybrid Z源DC/DC变换器的开关管电压应力比较图如图5所示，从图5可知，在相同的条件下，本电路的开关管电压应力最小。