一种改进型单开关直流高增益变换器的制作方法

本实用新型是一种改进型单开关直流高增益变换器，属于DC-DC升压变换器。

背景技术：
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目前，高效率高增益DC/DC变换器在UPS、汽车头灯、通信电源系统等诸多领域得到应用。特别是随着能源及环保问题的日益加剧，光伏、燃料电池等新能源并网发电技术得到广泛关注。由于光伏阵列或燃料电池堆的输出直流电压一般为30～60V，而并网逆变器的输入直流电压为360～400V，高效率高增益DC/DC变换器不可或缺。理论上来说，通过调节占空比，传统Boost变换器可实现任意高增益变换，但其实际增益受到电感、电容、开关器件的寄生参数的限制。此外，在高增益场合，随着占空比的增加，输入电流纹波及器件电流应力增大，开关损耗增加，二极管反向恢复损耗愈加突出，导致变换器效率降低，而且电磁干扰问题也愈加严重。本实用新型提出一种改进型单开关直流高增益变换器，能够实现高电压增益，并且降低了开关管与二级管的电压应力，单个开关使控制电路简单且节约了成本。

技术实现要素：
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本实用新型涉及到一种改进型单开关直流高增益变换器，是由二级Boost电路引入电压升举单元、支路二极管和控制电路组成。所述的单开关直流高增益变换器，是由直流电源V_in的“+”端与电感L₁的一端相连，电感L₁的另一端与稳压电容C₁的正极相连，与二极管D₁的阳极相连，与电感L₂的一端相连；电感L₂的另一端与升压电容C₂的阴极相连，与支路二极管D₅的阳极相连；升压电容C₂的正极与二极管D₂的阳极相连，与二极管D₁的阴极相连；MOS管的漏极与支路二极管D₅的阴极相连，与支路二极管D₆的阴极相连；二级管D₂的阴极与电容C₃的正极相连，与二级管D₃的阳极相连，与电感L₃的一端相连；电感L₃的另一端与支路二极管D₆的阳极相连，与升压电容C₄的负极相连；二级管D₃的阴极与升压电容C₄的正极相连，与输出滤波电容C₅的正极相连，与负载电阻R的一端相连；负载电阻R的另一端与输出滤波电容C₅的负极相连，与二级管D₄的阳极相连；直流电源V_in的“-”端与稳压电容C₁的负极相连，与MOS管的源极相连，与电容C₃的负极相连，与二级管D₄的阴极相连。所述的支路二级管D5，D6为快速恢复二极管，控制电路由数字控制电路以及驱动电路相连组成。

本实用新型的原理：本实用新型对传统Boost电路引入两个电压升举模块，通过2个之路二极管连接两个升举单元，共同引到开关管，使变换器的输出电压得以提高。

本实用新型的益处：能够大幅度的提升输出电压；降低开关管和二级管的电压应力；单开关管使控制电路简单，节约成本。

附图说明：

图1为改进型单开关直流高增益变换器的主电路图和控制电路。

图2为传统Boost变换器在占空比为50％下的输入电压和输出电压。

图3为传统Boost变换器在上述输出电压下开关管与二级管的电压应力。

图4为传统Boost变换器在上述输出电压下开关管与二级管的电压应力局部放大图。

图5为改进型单开关直流高增益变换器在占空比为50％下的输入电压和输出电压。

图6为改进型单开关直流高增益变换器在上述输出电压下开关管和二级管的电压应力。

图7为改进型单开关直流高增益变换器在上述输出电压下开关管和二级管的电压应力局部放大图。

图1标记说明：V_in为直流输入源，L₁、L₂、L₃为电感，C₁、C₂、C₃、C₄、C₅均为电解电容，D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆全为快速恢复二极管，S为MOS管，R为纯阻性负载。

图2标记说明：V_in为传统Boost电路的输入电压，V_out为其输出电压。

图3、4标记说明：V_S-stress为传统Boost电路正常工作时开关管的电压应力，V_D-stress为传统Boost电路正常工作时二极管的电压应力。

图5标记说明：V_in为改进型单开关直流高增益变换器的输入电压，V_out为其输出电压。

图6、7标记说明：V_S-stress为改进型单开关直流高增益变换器正常工作时开关管的电压应力，V_D-stress为改进型单开关直流高增益变换器正常工作时所有二极管中的最高电压应力。

具体实施方式：

本实用新型涉及到一种改进型单开关直流高增益变换器。主电路的具体连接方式是：直流电源V_in的“+”端与电感L₁的一端相连，电感L₁的另一端与稳压电容C₁的正极相连，与二极管D₁的阳极相连，与电感L₂的一端相连；电感L₂的另一端与升压电容C₂的阴极相连，与支路二极管D₅的阳极相连；升压电容C₂的正极与二极管D₂的阳极相连，与二极管D₁的阴极相连；MOS管的漏极与支路二极管D₅的阴极相连，与支路二极管D₆的阴极相连；二级管D₂的阴极与电容C₃的正极相连，与二级管D₃的阳极相连，与电感L₃的一端相连；电感L₃的另一端与支路二极管D₆的阳极相连，与升压电容C₄的负极相连；二级管D₃的阴极与升压电容C₄的正极相连，与输出滤波电容C₅的正极相连，与负载电阻R的一端相连；负载电阻R的另一端与输出滤波电容C₅的负极相连，与二级管D₄的阳极相连；直流电源V_in的“-”端与稳压电容C₁的负极相连，与MOS管的源极相连，与电容C₃的负极相连，与二级管D₄的阴极相连。所述的支路二级管D5，D6为快速恢复二极管，控制电路由数字控制电路以及驱动电路相连组成。

具体分析如下：当电路工作时，V_in-L₁-C₁回路一直处于工作状态，此时可以认为V_in近似等于V_C1，且串联的电感L₁可以降低输入电流纹波。当开关管处于开通状态时，电容C₁通过回路C₁-L₂-D₅-S向电感L₂充能，同时C₁通过回路C₁-D₁-C₂-D₅-S向电容C₂充能，此时电容C₃通过回路C₃-L₃-D₆-S对电感L₃充能，且C₃通过C₃-D₃-C₄-D₆-S回路向电容C₄充能。当V_C2等于V_C1时，二极管D₁截止，当V_C3等于V_C4时，二极管D₃截止，二极管D₂、D₄因承受反向压降关断。当开关管断开时，电容C₁、C₂，电感L₂通过D₂向电容C₃放电；电容C₃、C₄以及电感L₃、电容C₅二极管D₄构成闭合回路，电容C₃、C₄、电感L₃向C₅放电，二极管D₁、D₃因承受反压而关断。经过若干个开关周期，输出电压得以增加且趋于稳定。并且，因为开关管与二级管之间有一个电压升举电容，降低了开关管以及二极管的电压应力。

本实用新型通过仿真得以验证，仿真参数如表1：

表1仿真电路参数

图2为传统Boost电路图的输入电压与输出电压波形，在输入电压为5V，占空比为50％的情况下，传统Boost电路的输出电压为10V。

图3、图4为传统Boost电路正常工作时开关管的电压应力以及二极管的电压应力。图2所述中的输出电压情况下，二极管与开关管的电压应力均为10V。

图5为改进型单开关直流高增益变换器的输入电压与输出电压波形。在输入电压为5V的情况下，占空比为50％的情况下，输出电压可达到45V，是输入电压的9倍。

图6、图7为改进型单开关直流高增益变换器正常工作时开关管的电压应力，以及二极管中的最高电压应力。二极管D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆中，D₃，D₄的电压应力均为30V，最高且相等，其他快速恢复二极管的电压应力均小于V_D3,4-stress。开关管的电压应力为30V。对比上述数据可知，在相同的输出电压下，改进型单开关直流高增益变换器的开关管，二极管具有更小的电压应力。