一种采用开关电感的Trans-Z源变换器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及DC/DC变换器领域，具体涉及一种采用开关电感的Trans-Z源变换器。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着石油、煤炭等化石能源的日益枯竭，世界各国都在大力开发新型可再 生清洁能源，如太阳能、燃料电池和风能等。但光伏、燃料电池等输出的电压很低，一般需要 经过DC/DC变换器升压，再经过逆变器并网。然而许多升压DC/DC变换器受到占空比、生热和 损耗的限制，无法实现大幅度的升压，如反激变换器，其电压增益为nD/(l-D)，n为变压器匝 比，D为占空比，但由于变压器等的寄生参数的影响，其增益受到限制；又如开关电感型准Z 源变换器，其电压增益为(1+D)/(1_3D)，较Z源变换器有了一定的提高，但仍有提升的空间。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种采用开关电感的Trans-Z 源变换器。
[0004] 本发明电路中具体包括直流输入电源Vin、第一电感、第一二极管、第二二极管、第 二电感、第三二极管、第二电容、第四二极管、第一电容、匝比为l:n的变压器、开关管、第五 二极管、输出电容和负载。
[0005] 本发明电路具体的连接方式为:所述的直流输入电源Vin的正极与第一二极管的阳 极和第一电感的一端连接。所述的第一二极管的阴极与第二二极管的阴极和第二电感的一 端连接。所述的第二二极管的阳极与第一电感的另外一端和第三二极管的阳极连接。所述 的第二电感的另外一端与第三二极管的阴极、第二电容的一端和第四二极管的阳极连接。 所述的第四二极管的阴极与变压器副边的同名端连接。所述的变压器副边的异名端与第一 电容的一端和变压器原边的同名端连接。所述的变压器原边的异名端与第二电容的另外一 端、开关管的漏极和第五二极管的阳极连接。所述的第五二极管的阴极与输出电容的一端 和负载的一端连接。所述的输出电容与负载并联。所述的直流输入电源Vin的负极与第一电 容的另外一端、开关管的源极、输出电容的另外一端和负载的另外一端连接。
[0006] 与现有技术相比，本发明电路具有的优势为:相比于传统的反激变换器(其输出电 压为匕f )和开关电感型准z源变换器(其输出电压为匕匕）等DC/DC变 1 - D .1-3:/) 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，输出电压为 匕,=?-(π + 2)〇〇(nK'"。在麵白勺默帳料俞触酿訂，描獅各Η驗 较小的占空比就可以将低等级电压升至高等级的电压，而且输入输出共地等，因此本发明 电路具有很广泛的应用前景。
【附图说明】
[0007]图1为一种米用开关电感的Trans-z源变换器结构图。
[0008]图2为一个开关周期主要元件的电压电流波形图。
[0009]图3a、图3b为一个开关周期内电路模态图。
[0010]图4为提出的电路、反激变换器和开关电感型准Z源变换器的增益占空比 D变化的波形图。
【具体实施方式】
[0011] 为以下结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述说明，但本发明的实施方 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。
[0012] 本发明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。为了验证方 便，电路结构中的器件均视为理想器件。开关管S的驱动信号VGS、第一二极管Di电流iDi、第二 二极管D 2电流iD2、第三二极管D3电流iD3、第四二极管D4电流i D4、第五二极管D5电流iD5、第一 电感U电流iL1、第二电感1^ 2电流iL2、变压器T的励磁电感Lm电流iLm、第一电容&电压V C1和第 二电容C2电压VC2的波形图如图2所示。
[0013]在如~。阶段，变换器在此阶段的模态图如图3a所示，开关管S的驱动信号VGS从低 电平变为高电平，开关管s导通，第一二极管m和第三二极管D3承受正向电压导通，第二二极 管出、第四二极管D 4和第五二极管D5承受反向电压截止。直流输入电源Vin与第二电容C2通过 开关管S、第一二极管Di和第三二极管D 3同时给第一电感1^和第二电感L2充电，第一电容&通 过开关管S给变压器T的励磁电感Lm充电。此外，输出电容Cmjt给负载供电。
[0014] 在以~丨2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从高 电平变为低电平，开关管S关断，第一二极管m和第三二极管D 3承受反向电压截止，第二二极 管出、第四二极管D4和第五二极管D5承受正向电压导通。直流输入电源V in、第一电感U和第 二电感L2通过第二二极管D2和第五二极管0 5同时给第二电容C2、输出电容Ccmt和负载充电， 直流输入电源vin、第一电感U和第二电感L 2通过第二二极管02和第四二极管D4同时给第一 电容Cl充电，变压器T的励磁电感U通过第四二极管D4给第二电容C2充电，变压器T的励磁电 感Lm通过第五二极管0 5给第一电容Cl·、输出电容Ccmt和负载充电。此外，直流输入电源Vin、第 一电感Li、第二电感L2和变压器T的励磁电感U通过第二二极管D2、第四二极管D4和第五二极 管〇 5同时给输出电容Ccmt和负载充电。
[0015] 本发明电路的稳态增益推导如下。
[0016] 由于第一电感Li与第二电感L2的电感值相等，则第一电感Li与第二电感L2的电压、 电流相等。
[0017] 由第一电感Li、第二电感L2与变压器T的励磁电感Lm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。
[0018] {￥in + VC2 )ton + -ξ------^-+ / C' ν toff = 〇 〇.):
[0019] Vclton~^-io￡f=Q (2> M+1力
[0020] 又当开关管S关断时，输出电压V?t满足下列关系式。
[0021] Vailt^Vcl+-^-VC2 (3) // 1-1
[0022] 联立求解式(1)、（2)、（3)可得到输出电压￥_与直流输入电压Vin的关系。
[0023] L _ 1 - (n + 2)D -("十 1)￡>:2 匕 ⑷
[0024]传统反激变换器与开关电感型准Z源变换器的稳态增益分别为nD/(l-D)和（1+D)/ (1-3D)(D为占空比，η为变压器匝比），当匝比n = 2时，本发明所提电路与反激变换器、开关 电感型准Z源变换器的稳态增益比较图如图4所示，从图4可知，当输入电压为10V时，本发明 提出的电路只需占空比为0.2就可以升至150V左右，而另两种变换器则需要较大的占空比。
【主权项】
1. 一种采用开关电感的Trans-Z源变换器，其特征在于包括直流输入电源、第一电感 (LD、第一二极管(D 1)、第二二极管(D2)、第二电感(L2)、第三二极管(D3)、第二电容(C 2)、第 四二极管(D4)、第一电容(&)、匝比为l:n的变压器(T)、开关管(S)、第五二极管(D 5)、输出电 容(Ult)和负载； 所述直流输入电源的正极与第一二极管(D1)的阳极和第一电感(L1)的一端连接;所述 第一二极管(D1)的阴极与第二二极管(D2)的阴极和第二电感(L2)的一端连接;所述第二二 极管(D 2)的阳极与第一电感(L1)的另外一端和第三二极管(D3)的阳极连接;所述第二电感 (L 2)的另外一端与第三二极管(D3)的阴极、第二电容(C2)的一端和第四二极管(D 4)的阳极 连接;所述第四二极管(D4)的阴极与变压器(T)副边的同名端连接;所述变压器(T)副边的 异名端与第一电容(C 1)的一端和变压器(T)原边的同名端连接;所述变压器(T)原边的异名 端与第二电容(C2)的另外一端、开关管(S)的漏极和第五二极管(D 5)的阳极连接;所述第五 二极管(D5)的阴极与输出电容(Cout)的一端和负载的一端连接;所述输出电容(Cout)与负载 并联;所述直流输入电源的负极与第一电容(C1)的另外一端、开关管(S )的源极、输出电容 (Cciut)的另外一端和负载的另外一端连接。2. 根据权利要求1所述的一种采用开关电感的Trans-Z源变换器，其特征在于输出电压 乂_与直流输入电压关系为
【专利摘要】本发明提供一种采用开关电感的Trans-Z源变换器。所述变换器包括直流输入电源、第一电感（<i>L</i>1）、第一二极管（<i>D</i>1）、第二二极管（<i>D</i>2）、第二电感（<i>L</i>2）、第三二极管（<i>D</i>3）、第二电容（<i>C</i>2）、第四二极管（<i>D</i>4）、第一电容（<i>C</i>1）、匝比为1:<i>n</i>的变压器（<i>T</i>）、开关管（<i>S</i>）、第五二极管（<i>D</i>5）、输出电容（<i>Cout</i>）和负载。本发明相比于反激变换器、开关电感型准Z源变换器等具有较高的电压增益，适用于非隔离型高增益直流电压变换的场合。
【IPC分类】H02M3/155
【公开号】CN105529922
【申请号】CN201511035057
【发明人】张波, 沈瀚云, 罗安
【申请人】华南理工大学
【公开日】2016年4月27日
【申请日】2015年12月31日