耦合电感混合举升压变换器的制作方法

本发明涉及耦合电感混合举升压变换器。属于高增益比的升压直流变换器。

背景技术：

随着能源紧缺与环境污染的日益严重，可再生能源的需求日益凸显，世界上越来越多的人期待可再生能源在日常生活中的使用与发展。像光伏发电系统、燃料电池系统等已经广泛的运用于当今的生产活动中了，然而，常规的BOOST变换器的由于寄生参数的影响，它的占空比不能太高，因此BOOST变换器的电压增益能力较低，开关管的电压应力较大，功率损耗严重，因此，BOOST变换器在高效率的情况下不可能提供足够高的电压增益比来增高电压以满足并网的需要。为此，相继出现了级联型BOOST变换器等，但是实现较高的增压比时，级联产生的器件数量增加，效率不高的问题突出，电路变得复杂。耦合电感技术的出现改善了变换器增益提升的能力，但是由于漏感引起的电压尖峰从而大大降低变换器的效率也是十分严重的。所以，研究新型高增益变换器有着迫切是实际需求和重要的理论意义。

技术实现要素：

发明目的：本发明提出了一种融合耦合电感技术与自举技术的耦合电感混合举升压变换器，解决了传统变换器升压能力弱、效率低的问题，既可以满足需要传统变换器的场合，更胜任可再生能源供电系统。

技术方案：

耦合电感混合举升压变换器，包括混合举耦合电感网络、无源无损钳位电路、滤波电容C_o、整流二极管D_o以及电阻负载R；

所述混合举耦合电感网络包括输入电源V_in、第一自举电路以及第二自举电路；所述第一自举电路包括耦合电感原边绕组L_P、耦合电感副边绕组L_S、第一整流二极管D₁以及第一升压电容C₁；所述第二自举电路包括耦合电感副边绕组L_S、第三整流二极管D₃、开关管S以及第一升压电容C₁、第二升压电容C₂、第三升压电容C₃；

所述第一升压电容C₁、第三升压电容C₃与第二整流二极管D₂构成无源无损钳位电路；

所述输入电源V_in的正极与耦合电感原边绕组L_P的第一端、第一整流二极管D₁的阳极同时相连，原边绕组L_P的第二端与开关管S的漏极、第一升压电容C₁的负极同时相连，耦合电感的副边绕组L_S的第一端与第一升压电容C₁的正极、第二整流钳位二极管D₂的阳极同时相连，耦合电感副边绕组L_S的第二端与第一整流二极管D₁的阴极、第二升压电容C₂的负极同时相连；第三整流二极管D₃的阳极与第二整流二极管D₂的阴极、第三升压电容C₃的正极同时相连，第三整流二极管D₃的阴极与第二升压电容C₂的正极、输出二极管D_o的阳极同时相连，第三升压电容C₃的负极与滤波电容C_o的负极、电阻负载R的负极同时连接，输出二极管D_o的阴极与滤波电容C_o的正极、电阻负载R的正极同时连接。电容的正负极位图1中标号方向，二极管的正负极位二极管电压应力方向。

所述开关管S为MOS管或者IGBT。

所述耦合电感混合举升压变换器的工作按工作模态运行。

有益效果：本发明的耦合电感混合举升压变换器中耦合电感的副边绕组L_S在两个自举电路中均使用，另外，在给第二升压电容C₂、第三升压电容C₃充电时均使用了第一个自举电路中的第一升压电容C₁，因此在器件数尽可能少的情况下耦合电感混合举升压变换器的电压增益得到尽可能的提高，同时由第一升压电容C₁、第三升压电容C₃以及第二整流二极管D₂,即钳位二极管构成的无源无损钳位电路有效的降低了开关管的电压应力，有效的吸收了耦合电感漏感的能量，另外由于第一升压电容C₁的存在提高了第三升压电容C₃的电压，使得输出二极管D_o的电压应力可以有效降低。

从图16中可以发现，变换器的开关管两端的电压波形不存在过大的电压尖峰，同时从图17中可以发现，输出二极管的电压应力很低。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的耦合电感混合举升压变换器的原理图。

图2为耦合电感混合举升压变换器的等效电路图。

图3为耦合电感混合举升压变换器的模态图，图3中，i_LM为耦合电感原边绕组的励磁电流，i_LK为耦合电感原边绕组的漏感电流，为耦合电感副边绕组的电流，i_Do为输出二极管D_o的电流，i_DS为流过开关管S的电流，i_in为输入电源的电流，i_D1为第一整流二极管D₁的电流，i_D2为第二整流二极管D₂的电流，i_D3为第三整流二极管D₃的电流，i_C1为第一升压电容C₁的电流，i_C2为第二升压电容C₂的电流，i_C3为第三升压电容C₃的电流，为耦合电感原边绕组的电压，为耦合电感副边绕组的电压。

图4为耦合电感混合举升压变换器第一种开关模态的等效图。

图5为耦合电感混合举升压变换器第二种开关模态的等效图。

图6为耦合电感混合举升压变换器第三种开关模态的等效图。

图7为耦合电感混合举升压变换器第四种开关模态的等效图。

图8为耦合电感混合举升压变换器第五种开关模态的等效图。

图9为耦合电感混合举升压变换器第六种开关模态的等效图。

图10为耦合电感混合举升压变换器第七种开关模态的等效图。

图11为耦合电感混合举升压变换器第八种开关模态的等效图。

图12为输入电压V_in＝40V，输出电压V_o＝380V，开关管的漏源两端的电压差V_GS的纵坐标为20伏/单元格，第三整流二极管D₃的电流i_D3的纵坐标为2.5安/单元格，输出二极管D_o的电流i_Do的纵坐标为2安/单元格，单位为10毫秒/单元格的实验波形。

图13为输入电压V_in＝40V，输出电压V_o＝380V，开关管的漏源两端的电压差V_GS的纵坐标为20伏/单元格，开关管的栅源两端的电流i_S的纵坐标为20安/单元格，电容C₃的电流i_C3的纵坐标为10安/单元格，单位为10毫秒/单元格的实验波形。

图14为输入电压V_in＝40V，输出电压V_o＝380V，开关管的漏源两端的电压差V_GS的纵坐标为20伏/单元格，第二升压电容C₂的电流i_C2的纵坐标为10安/单元格，第一升压电容C₁的电流i_C1的纵坐标为20安/单元格，单位为10毫秒/单元格的实验波形。

图15为输入电压V_in＝40V，输出电压V_o＝380V，开关管的漏源两端的电压差V_GS的纵坐标为20伏/单元格，第一整流二极管D₁的电流i_D1的纵坐标为5安/单元格，第二整流二极管D₂的电流i_D2的纵坐标为30安/单元格，单位为10毫秒/单元格的实验波形。

图16为输入电压V_in＝40V，输出电压V_o＝380V，开关管的漏源两端的电压差V_GS的纵坐标为20伏/单元格，开关管的栅源两端的电压V_DS的纵坐标为50伏/单元格，输入电源的电流i_in的纵坐标为30安/单元格，输入电源的电压V_in的纵坐标为50伏/单元格，单位为10毫秒/单元格的实验波形。

图17为输入电压V_in＝40V，输出电压V_o＝380V，开关管的漏源两端的电压差V_GS的纵坐标为20伏/单元格，输出二极管D_o的电压V_Do的纵坐标为50伏/单元格，单位为10毫秒/单元格的实验波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

具体实施方式一：参照图1具体说明实施本实施方式，本实施方式所述的耦合电感混合举升压变换器，包含两个自举电路、一个无源无损钳位电路、一个开关管、一个滤波电容C_o、一个整流输出二极管D_o以及一个电阻负载R，

所述的两个自举电路中的一个包括耦合电感原边L_P、耦合电感的副边绕组L_S、第一整流二极管D₁以及第一升压电容C₁，另一个自举电路包括耦合电感的副边绕组L_S、第三整流二极管D₃、开关管S以及第一升压电容C₁、第二升压电容C₂、第三升压电容C₃，

无源无损钳位电路包括第一升压电容C₁、第三升压电容C₃以及第二整流二极管D₂，

所述输入电源V_in的正极与耦合电感原边绕组L_P的第一端、第一整流二极管D₁的阳极同时相连，原边绕组L_P的第二端与开关管S的漏极、第一升压电容C₁的负极相连，耦合电感的副边绕组L_S的第一端与第一升压电容C₁的正极、第二整流二极管D₂的阳极同时相连，耦合电感副边绕组L_S的第二端与第一整流二极管D₁的阴极、第二升压电容C₂的负极同时相连；第三整流二极管D₃的阳极与第二整流二极管D₂的阴极、第三电容C₃的正极同时相连，第三整流二极管D₃的阴极与第二升压电容C₂的正极、输出二极管D_o的阳极同时相连。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的耦合电感混合举升压变换器做进一步说明，本实施方式中，开关管S为MOS管或者IGBT。

具体实施方式三：参照图2至图11具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的耦合电感混合举升压变换器做进一步说明，本实施方式中，变换器的工作按工作模态运行。

本发明的工作原理及工作过程如下：

本发明耦合电感混合举升压变换器耦合电感的等效电路为励磁电感L_M、漏电感原边理想变压器N_P、副边理想变压器N_S、副边漏电感等效电路图如图2。

本发明耦合电感混合举升压变换器耦合电感原边绕组的励磁电流为i_LM，耦合电感原边绕组的漏感电流为i_LK，耦合电感副边绕组的电流为输出二极管D_o的电流为i_Do，流过开关管S的电流为i_DS，输入电源的电流为i_in，第一整流二极管D₁的电流为i_D1，第二整流二极管D₂的电流为i_D2，第三整流二极管D₃的电流为i_D3，第一升压电容C₁的电流为i_C1，第二升压电容C₂的电流为i_C2，第三升压电容C₃的电流为i_C3，耦合电感原边绕组的电压为耦合电感副边绕组的电压为波形如图3所示，其工作过程分为8个开关模态，分别为第一种开关模态至第八种开关模态，电阻R为负载，具体描述如下：

第一种开关模态，对应图3中的[t₀,t₁]：等效电路图4所示，在t₀时刻开通开关管S，耦合电感原边绕组L_P充电，耦合电感副边绕组L₂通过输出二极管D_o与第一升压电容C₁、第二升压电容C₂一起续流，输出电容C_o给负载R供电。

第二种开关模态，对应图3中的[t₁,t₂]：等效电路图5所示，在t₁时刻输出二极管D_o关断，第三整流二极管D₃导通，耦合电感原边绕组L_P继续充电，耦合电感副边绕组L₂储存能量，第三升压电容C₃放电，第一升压电容C₁、第三升压电容C₂充电，输出电容C_o给负载R供电。

第三种开关模态，对应图3中的[t₂,t₃]：等效电路图6所示，在t₂时刻第一整流二极管D₁导通，耦合电感原边绕组L_P继续充电，耦合电感副边绕组L₂继续储存能量，第三升压电容C₃放电，第一升压电容C₁、第二升压电容C₂继续充电，输出电容C_o给负载R供电。

第四种开关模态，对应图3中的[t₃,t₄]：等效电路图7所示，在t₃第三整流二极管D₃关断，耦合电感原边绕组L_P继续充电，耦合电感副边绕组L₂继续储存能量，第一升压电容C₁继续充电，输出电容C_o给负载R供电。

第五种开关模态，对应图3中的[t₄,t₅]：等效电路图8所示，在t₄时刻开关管S关断，开关管寄生电容开始充电，第一升压电容C₁继续充电，输出电容C_o给负载R供电。

第六种开关模态，对应图3中的[t₅,t₆]：等效电路图9所示，在t₅时刻第二整流二极管D₂导通，第三升压电容C₃开始充电，第一升压电容C₁开始放电，输出电容C_o给负载R供电。

第七种开关模态，对应图3中的[t₆,t₇]：等效电路图10所示，在t₆时刻输出二极管D_o导通，第一整流二极管D₁关断，第三升压电容C₃继续充电，第一升压电容C₁与第二升压电容C₂放电，输入电源给输出电容C_o和负载R供电。

第八种开关模态，对应图3中的[t₇,t₈]：等效电路图11所示，在t₇时刻二极管D₂关断，第一升压电容C₁与第二升压电容C₂放电，输入电源给输出电容C_o和负载R供电。

由上述分析可得增益表达式为：

其中D为开关管S的占空比，N为耦合电感的副边与原边的匝数比。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。