一种混合型准开关升压dc-dc变换器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种混合型准开关升压DC?DC变换器电路，包括电压源，由第一电感、第一二极管、第一电容、第二电感和第二电容构成的二端准Z源单元，由第二电容、第二二极管、第一MOS管、第一二极管和第二电感构成的准开关升压单元，由第三电容和第三二极管构成的开关电容单元，第二MOS管，输出二极管，输出滤波电容和负载。本发明电路结构简单，结合了准Z源单元和准开关升压单元的单级升降压特性以及开关电容并行充电串联放电的特性，实现了输出电压增益的提升。
【专利说明】
-种混合型准开关升压DC-DC变换器
技术领域
[0001] 本发明设及电力电子电路技术领域，具体设及一种结合开关电容和准Z源单元的 混合型高增益准开关升压DC-DC变换器电路。
【背景技术】
[0002] 在燃料电池发电、光伏发电中，由于单个太阳能电池或者单个燃料电池提供的直 流电压较低，无法满足现有用电设备的用电需求，也不能满足并网的需求，往往需要将多个 电池串联起来达到所需的电压。运种方法一方面大大降低了整个系统的可靠性，另一方面 还需解决串联均压问题。为此，需要能够把低电压转换为高电压的高增益DC-DC变换器。近 几年提出的Z源变换器和开关升压变换器SBI都是高增益的DC-DC变换器，但是在一些低电 压输入希望有更高电压输出的场合，传统的Z源变换器和SBI变换器就变得不再能够满足要 求。为了扩大传统Z源变换器和SBI变换器的适用范围，有必要通过拓扑改进拓展其输出电 压增益。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种结合开关电容和准Z源 单元的混合型高增益准开关升压DC-DC变换器电路，具体技术方案如下。
[0004] -种混合型准开关升压DC-DC变换器电路，包括电压源、准Z源单元、准开关升压 单元、第二MOS管、开关电容单元、输出二极管、输出滤波电容和负载。所述准Z源单元由第一 电感、第一电容、第一二极管、第二电感和第二电容构成;所述准开关升压单元由第二电感、 第一二极管、第二电容、第一 MOS管和第二二极管构成;所述开关电容单元由第S电容和第 =二极管构成。
[0005] 上述的一种混合型准开关升压DC-DC变换器电路中，所述电压源的正极分别与第 二电容的负极和第一电感的一端连接;所述第一电感的另一端分别与第一二极管的阳极和 第一电容的负极连接;所述第二电容的正极分别与第二二极管的阴极、输出二极管的阳极 和第一 MOS管的漏极连接;所述第一二极管的阴极分别与第二电感的一端和第一 MOS管的源 极连接;所述第一电容的正极分别与第二二极管的阳极、第二电感的另一端、第二MOS管的 漏极和第=电容的正极连接;所述输出二极管的阴极分别与输出滤波电容的正极和负载的 另一端连接;所述第=电容的负极分别与第=二极管的阳极、输出滤波电容的负极和负载 的另一端连接;所述电压源的负极分别与第二MOS管的源极、第S二极管的阴极连接。
[0006] 当第一 MOS管和第二MOS管同时导通时，所述第一二极管、第二二极管、第S二极管 均关断，电压源和第一电容对第一电感充电；电压源和第二电容对第二电感充电；同时，电 压源与第=电容和第二电容一起对输出滤波电容和负载供电。当第一MOS管和第二MOS管同 时关断时，所述第一二极管、第二二极管、第=二极管均导通，输出二极管关断。所述第二电 感与第一电容并联，形成回路;所述第一电感和第二电感一起对第二电容充电；所述电压 源、第一电感和第二电感给第=电容充电；同时，输出滤波电容给负载供电。
[0007] 与现有技术相比，本发明电路具有如下优点和技术效果:本发明整个电路结构简 单，控制方便，输出电压增益更高;本发明电路利用了准Z源单元和准开关升压单元的单级 升降压特性W及开关电容并行充电串联放电的特性，从而进一步提升了输出电压，实现了 准开关升压变换器输出电压增益的拓展。
【附图说明】
[0008] 图1是本发明【具体实施方式】中的一种混合型准开关升压DC-DC变换器电路。
[0009] 图2曰、图化分别是图1所示一种结合开关电容和准Z源单元的混合型高增益准开关 升压DC-DC变换器电路在其第一开关管Si和第二开关管S2同时导通和同时关断时段的等效 电路图。
[0010] 图3a为本发明电路的增益曲线与Boost变换器、开关电容Boost变换器、传统Z源 DC-DC变换器和新型准Z源DC-DC变换器的增益曲线比较图。
[0011] 图3b为图3a中本发明电路的增益曲线与Boost变换器、开关电容Boost变换器、传 统Z源DC-DC变换器和新型准Z源DC-DC变换器的增益曲线在占空比D小于0.38内的比较图。
【具体实施方式】
[0012] W上内容已经对本发明的技术方案作了详细说明，W下结合附图对本发明的具体 实施作进一步描述。
[001引参考图1，本发明所述的一种混合型准开关升压DC-DC变换器电路，包括电压源、 准Z源单元、准开关升压单元、第二MOS管、开关电容单元、输出二极管、输出滤波电容和负 载。所述准Z源单元由第一电感、第一电容、第一二极管、第二电感和第二电容构成;所述准 开关升压单元由第二电感、第一二极管、第二电容、第一 MOS管和第二二极管构成;所述开关 电容单元由第=电容和第=二极管构成。
[0014]本发明电路的具体连接方式如下:所述电压源的正极分别与第二电容的负极和第 一电感的一端连接;所述第一电感的另一端分别与第一二极管的阳极和第一电容的负极连 接;所述第二电容的正极分别与第二二极管的阴极、输出二极管的阳极和第一 MOS管的漏极 连接;所述第一二极管的阴极分别与第二电感的一端和第一 MOS管的源极连接;所述第一电 容的正极分别与第二二极管的阳极、第二电感的另一端、第二MOS管的漏极和第S电容的正 极连接;所述输出二极管的阴极分别与输出滤波电容的正极和负载的另一端连接;所述第 =电容的负极分别与第=二极管的阳极、输出滤波电容的负极和负载的另一端连接;所述 电压源的负极分别与第二MOS管的源极、第S二极管的阴极连接。
[001引图2曰、图化给出了本发明电路的工作过程图。图2曰、图化分别对应的是第一MOS管 Si和第二MOS管S2同时导通和同时关断时段的等效电路图。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。
[0016] 本发明的工作过程如下：
[0017] 阶段1，如图2a:第一MOS管Si和第二MOS管S2同时导通，此时第一二极管Di、第二二 极管化、第=二极管化均关断。电路形成了 =个回路，分别是：电压源Vi与第一电容Cl和第= 电容C3-起给输出滤波电容Cf和负载化充电，形成回路；电压源Vi与第一电容Cl对第一电感 b进行充电储能，形成回路；电压源Vi与第二电容C2对第二电感L2进行充电储能，形成回路。
[001引阶段2，如图2b:第一MOS管Si和第二MOS管S2同时关断，此时第一二极管Di、第二二 极管化、第=二极管化均导通，输出二极管D。关断。电路形成了四个回路，分别是：电压源Vi、 第一电感^和第二电感L2给第=电容C3充电储能，形成回路;第二电感L2对第一电容Cl充电， 形成回路;第一电感^和第二电感L2给第二电容C2充电储能，形成回路;输出滤波电容Cf给 负载化供电，形成回路。
[0019] 综上情况，由于第一MOS管Si和第二MOS管S2的开关触发脉冲完全相同，设开关管Si 和S2的占空比均为D，开关周期为Ts。并设定化谢化汾别为电感^和12两端的电压，Vci、Vc2和 Vc3分别为第一电容Cl、第二电容C2和第S电容C3的电压，Vsi为和Vs2分别为第一 MOS管Si和第 二MOS管S2漏极与源极之间的电压。在一个开关周期Ts内，令输出电压为V。。当变换器进入稳 态工作后，得出W下的电压关系推导过程。
[0020] 工作模态1:第一 MOS管Si和第二MOS管S2同时导通，对应的等效电路图2a所示，因此 有如下公式：
[0021] 化i = Vi+Vci (1)
[0022] 化2 = Vi+Vc2 (2)
[0023] Vo = Vi+Vc3+Vc2 (3)
[0024] Vsi = Vs2 = 0 (4)
[0025] MOS管Si和S2的导通时间为DTs。
[00%] 工作模态2:第一 MOS管Si和第二MOS管S2均关断，对应的等效电路如图化所示，因此 有如下公式：
[0027]化i = Vu-Vc2 (5)
[002引化 2 = -Vci (6)
[00 巧]Vi = Vc3-Vc2 (7)
[0030] Vs2 = Vc3 (8)
[0031] Vsi = Vci (9)
[0032] MOS管Si和S2的关断时间为（l-D)Ts。
[0033] 根据W上分析，对第一电感LI和第二电感L2分别运用电感伏秒数守恒原理，联立 式(1)、式(5)、式(2)和式(6)可得：
[0034] D(Vi+Vci) + ( 1-D) (Vci-Vc2) =0 (10)
[003引 D(Vi+Vc2)-(l-D)Vci = 0 (11)
[0036] 因而，可得出第一电容Cl的电压Vci和第二电容C2的电压Vc2电压与电压源Vi之间的 关系式为：
[0037] (12)
[003引 （13)
[0039] 由式(7)、式（12)和式（13)可W得到第S电容C3的电压Vc3与电压源Vi之间的关系 式为：
[0040]
(14)
[0041] 则由式(3)、式(13)和式(14)，可得本发明电路的增益因子表达式为：
[0042]
C15)
[0043] 如图3a所示为本发明电路的增益曲线与Boost变换器、开关电容Boost变换器、传 统Z源DC-DC变换器和新型准Z源DC-DC变换器的增益曲线比较图；图3b为图3a中本发明电路 的增益曲线与Boost变换器、开关电容Boost变换器、传统Z源DC-DC变换器和新型准Z源DC- DC变换器的增益曲线在占空比D小于0.38内的比较图，图中包括本发明电路的增益曲线，传 统Z源DC-DC变换器的增益曲线，新型准Z源DC-DC变换器的增益曲线，开关电容Boost变换器 的增益曲线，Boost变换器的增益曲线。由图可知，本发明电路在占空比D不超过0.38的情况 下，增益G就可W达到很大，且本发明电路的占空比D不会超过0.38。因此，相比之下，本发明 电路的增益是非常高的。
[0044] 综上所述，本发明电路整体结构简单，控制方便，结合了准Z源单元和准开关升压 单元的单级升降压特性W及开关电容并行充电串联放电的特性，实现了输出电压增益的进 一步提升，且不存在启动冲击电流和MOS管开通瞬间的冲击电流。
[0045] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的 限制，其他的任何未背离本发明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，都包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种混合型准开关升压DC-DC变换器电路，其特征在于包括电压源(VO、准Z源单元、 准开关升压单兀、第二M0S管(S2)、开关电容单兀、输出二极管(D。）、输出滤波电容(Cf)和负 载(Rl);所述准Z源单元由第一电感(LD、第一电容(&)、第一二极管(DD、第二电感(L 2)和第 二电容(C2)构成;所述准开关升压单元由第二电感(L2)、第一二极管(DD、第二电容(C 2)、第 一 M0S管（SD和第二二极管(D2)构成;所述开关电容单元由第三电容(C3)和第三二极管(D 3) 构成。2. 根据权利要求1所述的一种混合型准开关升压DC-DC变换器电路，其特征在于所述电 压源(V0的正极分别与第二电容（C2)的负极和第一电感(LD的一端连接;所述第一电感 (U)的另一端分别与第一二极管（DD的阳极和第一电容（CD的负极连接;所述第二电容 (C 2)的正极分别与第二二极管(D2)的阴极、输出二极管(D。)的阳极和第一 M0S管(SD的漏极 连接;所述第一二极管(DD的阴极分别与第二电感(L2)的一端和第一 M0S管（SD的源极连 接;所述第一电容(CD的正极分别与第二二极管(D2)的阳极、第二电感(L 2)的另一端、第二 M0S管(&)的漏极和第三电容(C3)的正极连接;所述输出二极管(D。)的阴极分别与输出滤波 电容（C f)的正极和负载(Rl )的另一端连接;所述第三电容（C3)的负极分别与第三二极管 (D3)的阳极、输出滤波电容(C f)的负极和负载(RD的另一端连接;所述电压源(V0的负极分 别与第二M0S管(S2)的源极、第三二极管(D 3)的阴极连接。3. 根据权利要求1所述的一种混合型准开关升压DC-DC变换器电路，其特征在于当第一 M0S管（SD和第二M0S管(S2)同时导通时，所述第一二极管(DD、第二二极管(D2)、第三二极 管(D 3)均关断，电压源(V0和第一电容(CD对第一电感(LD充电；电压源(V0和第二电容 (C2)对第二电感(L 2)充电；同时，电压源(Vi)与第三电容(C3)和第二电容(C2)-起对输出滤 波电容(C f)和负载(Rl)供电；当第一M0S管（S!)和第二M0S管（S2)同时关断时，所述第一二极 管 (Dl)、第二二极管(〇2)、第三二极管(D3)均导通，输出二极管(D。)关断;所述第二电感(L 2) 与第一电容(CD并联，形成回路;所述第一电感(LD和第二电感(L2)-起对第二电容(C 2)充 电;所述电压源(Vi)、第一电感(1^)和第二电感(L2)给第三电容(C3)充电；同时，输出滤波电 容(C f)给负载(Rl)供电。
【文档编号】H02M3/155GK105939107SQ201610508637
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】张波, 朱小全, 丘东元
【申请人】华南理工大学