一种开关电容型高增益准z源dc-dc变换器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种开关电容型高增益准Z源DC?DC变换器电路，包括电压源，由第一电容，第一二极管，第一电感，第二电感，第三电容构成的二端准Z源单元，由第二电容、第二二极管构成的开关电容单元，一个MOS管，输出二极管，输出滤波电容和负载。本发明整个电路结构简单，结合了准Z源单元单级升降压特性和开关电容并行充电串联放电的特性，实现了变换器输出电压增益的拓展。
【专利说明】
-种开关电容型高増益准Z源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，具体设及一种开关电容型高增益准Z源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源变换器是一种高增益DC-DC变换器，但该电路具有较高的阻抗网络电容电压 应力，且电路启动时存在很大启动冲击电流问题，限制了该电路在实际中的应用。为了进一 步提高Z源变换器的输出电压，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，提供了一种开关电容型高增益准Z 源DC-DC变换器电路，具体技术方案如下。
[0004] -种开关电容型高增益准Z源DC-DC变换器电路，包括电压源，由第一电容，第一二 极管，第一电感，第二电感，第=电容构成的二端准Z源单元，由第二电容、第二二极管构成 的开关电容单元，一个MOS管，输出二极管D。，输出滤波电容和负载。所述准Z源单元由第一 电感、第一二极管、第一电容、第二电感和第=电容构成;所述开关电容单元由第二电容和 第二二极管构成。
[0005] 上述的一种开关电容型高增益准Z源DC-DC变换器电路中，所述电压源的正极分别 与第一电容的负极和第一电感的一端连接;所述第一电容的正极分别与第一二极管的阴 极、第二电感的一端和输出二极管的阳极连接;所述第一二极管的阳极分别与第=电容的 负极和第一电感的另一端连接;所述第=电容的正极分别与第二电感的另一端、MOS管的漏 极、第二电容的正极连接;所述第二电容的负极分别与第二二极管的阳极、输出滤波电容的 负极和负载的一端连接;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;所述电压源的负极分别与MOS管的源极、第二二极管的阴极连接。
[0006] 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，只用了一个MOS管，控制方便，输出电压增益更高;本发明电路结合利用了准Z源单元的 单级升降压特性和开关电容并行充电串联放电的特性，从而升高了输出电压，实现了准Z源 DC-DC变换器输出电压增益的拓展。
【附图说明】
[0007] 图1是本发明【具体实施方式】中的一种开关电容型高增益准Z源DC-DC变换器电路。 [000引图2曰、图化分别是图1所示一种开关电容型高增益准Z源DC-DC变换器电路在其MOS 管S导通和关断时段的等效电路图。
[0009] 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。
[0010] 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0.5内的比较图。
【具体实施方式】
[0011] 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。
[0012] 参考图1，本发明所述的一种开关电容型高增益准Z源DC-DC变换器电路，包括电压 源，由第一电容，第一二极管，第一电感，第二电感，第=电容构成的二端准Z源单元，由第二 电容、第二二极管构成的开关电容单元，一个MOS管，输出二极管Dd，输出滤波电容和负载。 所述准Z源单元由第一电感、第一二极管、第一电容、第二电感和第=电容构成;所述开关电 容单元由第二电容和第二二极管构成。当MOS管S导通时，所述第一二极管化、第二二极管化 均关断，电压源Vi和第一电容Cl对第二电感L2充电；电压源Vi与第S电容C3和第一电感^充 电；同时，电压源Vi、第一电容Cl和第二电容C2-起对输出滤波电容Cf和负载化供电。当MOS管 S关断时，所述第一二极管化、第二二极管化均导通，输出二极管D。关断。所述第一电感^与 第一电容Cl并联，形成回路;所述第二电感L2与第=电容C3并联，形成回路;所述电压源Vi、 第一电感^和第二电感L2给第二电容C2充电；同时，输出滤波电容Cf给负载化供电。整个电 路结构简单，具有较高的输出电压增益。
[0013] 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一电容的负极和第 一电感的一端连接;所述第一电容的正极分别与第一二极管的阴极、第二电感的一端和输 出二极管的阳极连接;所述第一二极管的阳极分别与第=电容的负极和第一电感的另一端 连接;所述第=电容的正极分别与第二电感的另一端、MOS管的漏极、第二电容的正极连接； 所述第二电容的负极分别与第二二极管的阳极、输出滤波电容的负极和负载的一端连接； 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;所述电压源的负 极分别与MOS管的源极、第二二极管的阴极连接。
[0014] 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MOS管S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。
[0015] 本发明的工作过程如下：
[0016] 阶段1，如图2a:M0S管S导通，此时第一二极管化、第二二极管化、均关断。电路形成 了S个回路，分别是：电压源Vi与第一电容Cl和第二电容C2-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对第二电感L2进行充电，形成回路；电压源Vi与第= 电容C3对第一电感^进行充电，形成回路。
[0017]阶段2,如图化:M0S管S关断，此时第一二极管化、第二二极管D2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给第二电容C2充 电，形成回路;第一电感^对第一电容Cl充电，形成回路;第二电感L2对第=电容C3充电，形 成回路;输出滤波电容Cf给负载化供电，形成回路。
[001引综上情况，设MOS管S的占空比均为D，开关周期为Ts。并设定Vli和Vl2分别为电感^ 和L2两端的电压，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，Vs为MOS 管S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。
[0019] 工作模态1:M0S管S导通，对应的等效电路图2a所示，因此有如下公式：
[0020] 化i = Vi+Vc3 (1)
[0021] 化 2 = Vi+Vci (2)
[0022] Vo = Vi+Vci+Vc2 (3)
[0023] Vs = O (4)
[0024] MOS管S的导通时间为DTs。
[0025] 工作模态2 :M0S管S关断，对应的等效电路如图2b所示，因此有如下公式：
[0026] 化1 = -￥。1 (5)
[0027] 化2 = -Vc3 (6)
[002引 Vi = Vc2-Vc3-Vci (7)
[0029] Vs = Vc2 (8)
[0030] MOS管S的关断时间为（l-D)Ts。
[0031] 根据W上分析，对第一电感b和第二电感L2分别运用电感伏秒数守恒原理，联立式 (1)、式(2)、式(5)、式(6)可得：
[0032] D(Vi+Vc3)-(l-D)Vci = 0 (9)
[0033] D(Vi+Vci)-(l-D)Vc3 = 0 (10)
[0034] 由式(7)、式(9)和式（11)可W得到第一电容Cl的电压Vci、第二电容C2的电压Vc2和 第S电容C3的电压Vra与电压源Vi之间的关系式为：
[0035] (11)
[0036] (12)
[0037] 则由式(3)、式(11)和式(12)，可得本发明电路的增益因子表达式为：
[003引
（13)
[0039] 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 增益曲线与基本升压电路的增益曲线在占空比D小于0.5内的比较图，图中包括本发明电路 的增益曲线，新型准Z源DC-DC变换器的增益曲线，传统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，和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0.5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0.5。因此， 相比之下，本发明电路的增益是非常高的。
[0040] 综上所述，本发明电路整体结构简单，只是用了一个MOS管，控制方便，结合了准Z 源单元单级升降压特性和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。
[0041]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. 一种开关电容型高增益准z源DC-DC变换器电路，其特征在于包括电压源(VO、准Z源 单元、M0S管(S)、开关电容单元、输出二极管(D。）、输出滤波电容(C f)和负载(Rl);所述准Z源 单元由第一电感(1^)、第一二极管(DD、第一电容(&)、第二电感(L 2)和第三电容(C3)构成； 所述开关电容单元由第二电容(C2)和第二二极管(D 2)构成。2. 根据权利要求1所述的一种开关电容型高增益准Z源DC-DC变换器电路，其特征在于 所述电压源(V0的正极分别与第一电容(CD的负极和第一电感(LD的一端连接;所述第一 电容(Ci)的正极分别与第一二极管(Di)的阴极、第二电感(L2)的一端和输出二极管(D。）的 阳极连接;所述第一二极管(DD的阳极分别与第三电容(C 3)的负极和第一电感(LD的另一 端连接;所述第三电容(C3)的正极分别与第二电感(L 2)的另一端、M0S管(S)的漏极、第二电 容(C2)的正极连接;所述第二电容(C 2)的负极分别与第二二极管(D2)的阳极、输出滤波电容 (Cf)的负极和负载(RD的一端连接;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;所述电压源(V0的负极分别与M0S管(S)的源极、第二二极 管(D 2)的阴极连接。3. 根据权利要求1所述的一种开关电容型高增益准Z源DC-DC变换器电路，其特征在于 当M0S管(S)导通时，所述第一二极管(DD、第二二极管(D 2)均关断，电压源(V0和第一电容 (⑴对第二电感(L2)充电，电压源(Vi)与第三电容(C 3)和第一电感(LD充电，同时，电压源 (Vi)、第一电容(&)和第二电容(C2)-起对输出滤波电容(C f)和负载(Rl)供电；当M0S管(S) 关断时，所述第一二极管(DD、第二二极管(D2)均导通，输出二极管(D。)关断，所述第一电感 ( Ll)与第一电容(&)并联，形成回路，所述第二电感(L2)与第三电容(C3)并联，形成回路，所 述电压源(Vi)、第一电感仏)和第二电感(L 2)给第二电容(C2)充电，同时，输出滤波电容(Cf) 给负载(Rl)供电。
【文档编号】H02M3/07GK105978322SQ201610508502
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】张波, 朱小全, 丘东元
【申请人】华南理工大学