一种输出容量可控的高增益直流电压变换器的制作方法

本实用新型涉及电力电子变换器的技术领域，尤其是指一种基于准Z源桥式结构输出容量可控的高增益直流电压变换器。

背景技术：

随着工业生产的快速发展，大功率、高增益的变换器在需要电能变换的场合发挥着越来越重要的作用。近些年来提出的Z源变换器实现了低占空比时获得较大的输出电压。然而，在负载功率较大的情况下，在设计传统的Z源变换器时需要选择容值较大的电容，且开关管和二极管的电流应力大，限制了Z源变换器在大功率场合的应用。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供了一种基于准Z源桥式结构输出容量可控的高增益直流电压变换器，适用于需要大功率和高增益的电力电子电路。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种输出容量可控的高增益直流电压变换器，包括电压源、第一开关管、第二开关管、第一准Z源模块、第二准Z源模块、输出模块，所述第一准Z源模块由第一电容、第二电容、第一电感、第二电感和第一二极管组成，所述第二准Z源模块由第三电容、第四电容、第三电感、第四电感和第二二极管组成，所述输出模块由第三二极管、第五电容和负载组成；所述电压源的正极分别与第一电容的负极、第二电感的一端和第二开关管的漏极连接，该电压源的负极分别与第一开关管的源极、第三电感的另一端和第四电容的正极连接；所述第一电容的正极分别与第一电感的一端和第一二极管的阴极连接；所述第二电感的另一端分别与第二电容的负极和第一二极管的阳极连接；所述第一电感的另一端分别与第二电容的正极、第一开关管的漏极和第三二极管的阳极连接；所述第三二极管的阴极分别与第五电容的正极和负载的一端连接；所述第五电容的负极分别与负载的另一端、第二开关管的源极、第三电容的负极和第四电感的一端连接；所述第三电容的正极分别与第三电感的一端和第二二极管的阴极连接；所述第四电感的另一端分别与第二二极管的阳极和第四电容的负极连接。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

本实用新型采用两组准Z源模块，具有较高的输出电压增益，降低了二极管和开关管的电流应力，提高了功率容量，且准Z源模块的电容应力低，电路不存在启动冲击问题。

附图说明

图1是本实用新型所述高增益直流电压变换器的电路原理图。

图2a、图2b分别是本实用新型所述高增益直流电压变换器在第一开关管S₁和第二开关管S₂导通和关断中两个主要阶段的等效电路图，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。

图3是本实用新型电路的仿真主要工作波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

参见图1所示，本实施例所提供的高增益直流电压变换器，包括电压源V_i、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一准Z源模块、第二准Z源模块、输出模块，所述第一准Z源模块由第一电容C₁、第二电容C₂、第一电感L₁、第二电感L₂和第一二极管D₁组成，所述第二准Z源模块由第三电容C₃、第四电容C₄、第三电感L₃、第四电感L₄和第二二极管D₂组成，所述输出模块由第三二极管D₃、第五电容C₅和负载R组成；电压源V_i的正极分别与第一电容C₁的负极、第二电感L₂的一端和第二开关管S₂的漏极连接，该电压源V_i的负极分别与第一开关管S₁的源极、第三电感L₃的另一端和第四电容C₄的正极连接；第一电容C₁的正极分别与第一电感L₁的一端和第一二极管D₁的阴极连接；第二电感L₂的另一端分别与第二电容C₂的负极和第一二极管D₁的阳极连接；第一电感L₁的另一端分别与第二电容C₂的正极、第一开关管S₁的漏极和第三二极管D₃的阳极连接；第三二极管D₃的阴极分别与第五电容C₅的正极和负载R的一端连接；第五电容C₅的负极分别与负载R的另一端、第二开关管S₂的源极、第三电容C₃的负极和第四电感L₄的一端连接；第三电容C₃的正极分别与第三电感L₃的一端和第二二极管D₂的阴极连接；第四电感L₄的另一端分别与第二二极管D₂的阳极和第四电容C₄的负极连接。

此外，上述的高增益直流电压变换器的输入端可以串联或者并联滤波电路用来改善电路的特性。

第一开关管S₁和第二开关管S₂导通时，电压源V_i和第一电容C₁对第一电感L₁充电；电压源V_i和第二电容C₂对第二电感L₂充电；电压源V_i和第三电容C₃对第三电感L₃充电；电压源V_i和第四电容C₄对第四电感L₄充电；第五电容C₅为负载R供电。第一开关管S₁和第二开关管S₂关断时，第一电感L₁通过第一二极管D₁对第二电容C₂充电；第二电感L₂通过第一二极管D₁对第一电容C₁充电；第三电感L₃通过第二二极管D₂对第四电容C₄充电；第四电感L₄通过第二二极管D₂对第三电容C₃充电；电压源V_i、第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第四电感L₄通过第一二极管D₁、第二二极管D₂和第三二极管D₃对第五电容C₅充电，同时给负载R供电。本实用新型提高了Z源变换器的功率容量，具有较高的电压增益。

参见图2a、图2b所示，给出了第一开关管S₁和第二开关管S₂导通和关断中两个主要阶段的等效电路图。结合图2a、图2b，本实施例上述的高增益直流电压变换器的工作过程如下：

阶段1，如图2a：第一开关管S₁和第二开关管S₂导通，此时第一二极管D₁和第二二极管D₂关断；电路中形成5个回路，分别是：电压源V_i和第一电容C₁对第一电感L₁充电；电压源V_i和第二电容C₂对第二电感L₂充电；电压源V_i和第三电容C₃对第三电感L₃充电；电压源V_i和第四电容C₄对第四电感L₄充电；第五电容C₅为负载R供电。

阶段2，如图2b：第一开关管S₁和第二开关管S₂关断，此时第一二极管D₁和第二二极管D₂导通；电路中形成5个回路，分别是：第一电感L₁通过第一二极管D₁对第二电容C₂充电；第二电感L₂通过第一二极管D₁对第一电容C₁充电；第三电感L₃通过第二二极管D₂对第四电容C₄充电；第四电感L₄通过第二二极管D₂对第三电容C₃充电；电压源V_i、第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第四电感L₄通过第一二极管D₁、第二二极管D₂和第三二极管D₃对第五电容C₅充电，同时给负载R供电。

综上情况，一个开关周期内，设开关管占空比为d，设第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第四电感L₄、第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、第四电容C₄的电压分别为v_L1、v_L2、v_L3、v_L4、v_C1、v_C2、v_C3、v_C4，设输出电压为V_o，得出以下电压增益的推导过程。

第一开关管S₁和第二开关管S₂导通期间，对应阶段1所述的工作情形，因此有如下公式：

v_L1＝v_C1+V_i (1)

v_L2＝v_C2+V_i (2)

v_L3＝v_C3+V_i (3)

v_L4＝v_C4+V_i (4)

第一开关管S₁和第二开关管S₂关断期间，对应阶段2所述的工作情形，因此有如下公式：

v_L1＝-v_C2 (5)

v_L2＝-v_C1 (6)

v_L3＝-v_C4 (7)

v_L4＝-v_C3 (8)

V_o＝v_C1+v_C2+v_C3+v_C4+V_i (9)

由以上分析，根据电感的伏秒特性，有，

对于第一电感L₁：

(v_C1+V_i)d+(-v_C2)(1-d)＝0 (10)

对于第二电感L₂：

(v_C2+V_i)d+(-v_C1)(1-d)＝0 (11)

对于第三电感L₃：

(v_C3+V_i)d+(-v_C4)(1-d)＝0 (12)

对于第四电感L₄：

(v_C4+V_i)d+(-v_C3)(1-d)＝0 (13)

联立式子(9)-(13)，可得到该电路的输出电压表达式为：

在一个开关周期中，设周期为T，四个电感电流的平均值均相等，设为第一开关管S₁和第二开关管S₂导通时，设电源V_i的耗能为W_ion，则有：

第一开关管S₁和第二开关管S₂断开时，设电源V_i的耗能为W_ioff，第一电容C₁的电流为i_C1，则根据第一电容C₁的安秒平衡，有以下公式：

一个开关周期内，设电源的输入功率为P_i，负载的输出功率为P_o，电路的效率为η，则有：

联立式子(15)-(18)，可得到电感电流的平均值为：

第一开关管S₁和第二开关管S₂导通时，若不考虑电流纹波影响，则两个开关管的电流应力均为：

由式子(14)可知，本实用新型所述的一种基于准Z源桥式结构输出容量可控的高增益直流电压变换器的电压增益为而传统的Z源变换器和准Z源变换器的电压增益为故本实用新型在占空比d小于0.5的情况下，能实现较大的电压增益。同时，由式子(20)可知，本实用新型的开关管的电流应力为而传统的Z源变换器和准Z源变换器的开关管的电流应力为故在相同的输出功率和效率的条件下，本实用新型能有效减低开关管的电流应力。

设开关管的最大允许电流应力为I_sw-max，由式子(20)可得，本实用新型的功率容量为：

而传统的Z源和准Z源变换器的功率容量为：

由式子(21)和式子(22)可知，在输入电压V_i相同，效率η相同，开关管具有相同的电流应力上限I_sw-max时，尤其是当占空比d接近0.5时，本实用新型的功率容量约为传统Z源变换器的两倍。

在电压源V_i＝1V，占空比d＝0.4，输出功率P_o＝8.1W的情况下，由式子(14)、(19)和(20)得到的输出电压的理论分析结果为V_o＝9V，电感电流的平均值的理论分析结果为开关管的电流应力的理论分析结果为9A。图3所示对应参数下的仿真波形，可以看出输出电压的仿真结果也接近9V，电感电流的平均值的仿真结果也接近4.5A，开关管的电流应力的仿真结果接近9A，从而有效验证了理论分析的正确性。在占空比d＝0.4的情况下，本实用新型之变换器的电压增益为9，而传统Z源变换器的增益为5。可见，本实用新型能够提高输出电压，扩大功率容量，同时能够有效的降低电容应力，且电路不存在启动冲击问题，具有较高的应用价值。

以上所述实施例只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。