一种高增益直流变换器的制作方法

1.本发明涉及变换器技术领域，尤其涉及一种高增益直流变换器。


背景技术：

2.随着环境污染与能源危机日趋严峻，以燃料电池、风能、太阳能等新能源受到广泛关注，新能源发电系统逐步成为全世界研究的热点。
3.但目前单体燃料电池、蓄电池、光伏电池等输出电压较低，为了实现新能源发电系统的并网，需要先使用高增益直流变换器提高新能源发电系统的输出电压，方可满足后级逆变要求。
4.现有技术采用传统boost升压电路来实现直流变换，但这种电路要在极端占空比状态下才可实现直流变换的高增益，此时开关管尖峰电流很大，损耗高，效率低，且极大占空比会影响变换器的动态性能和可靠性。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是：提供一种高增益直流变换器，能实现较小占空比下直流变换的高增益。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
7.一种高增益直流变换器，包括输入端、至少两个次级直流增益电路和输出端，所述输入端连接直流输入电源，各个所述次级直流增益电路的输入端并联作为高增益直流变换器的输入端，各个所述次级直流增益电路的输出端串联作为高增益直流变换器的输出端。
8.本发明的有益效果在于：一种高增益直流变换器，通过多个增益电路实现高增益，且增益远高于传统升压电路，由于无需极端占空比，因此开关管尖峰电压小，开关管损耗低，变换器效率高。
附图说明
9.图1为本发明的一种高增益直流变换器电路图；
10.图2为本发明实施例涉及的一种高增益直流变换器开关周期理论分析图；
11.图3为本发明实施例涉及的一种高增益直流变换器的第一种工作模式图；
12.图4为本发明实施例涉及的一种高增益直流变换器的第二种工作模式图；
13.图5为本发明实施例涉及的一种高增益直流变换器的开关周期仿真波形图；
14.图6为本发明实施例涉及的一种高增益直流变换器的仿真关键波形图。
具体实施方式
15.为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
16.请参照图1，一种高增益直流变换器，包括输入端、至少两个次级直流增益电路和
输出端，所述输入端连接直流输入电源，各个所述次级直流增益电路的输入端并联作为高增益直流变换器的输入端，各个所述次级直流增益电路的输出端串联作为高增益直流变换器的输出端。
17.由上述描述可知，本发明的有益效果在于：一种高增益直流变换器，通过多个增益电路实现高增益，且增益远高于传统升压电路，由于无需极端占空比，因此开关管尖峰电压小，开关管损耗低，变换器效率高。
18.进一步地，所述次级直流增益电路包括第一电路和第二电路，所述第一电路包括第一开关管s1、第一半导体器件d1、第二开关管s2、第二半导体器件d2、第一电感l1和第一电容c1；
19.所述第二电路包括第三开关管s3、第三半导体器件d3、第二电感l2和第二电容c2；
20.所述第一电路输入端的正极与第一开关管s1的输入端相连，所述第一开关管s1的输出端与第一电感l1的一端和第一半导体器件d1的输出端相连，所述第一半导体器件d1的输入端与第一电容c1的一端和所述第一电路输出端的负极相连，所述第一电容c1的另一端、第二开关管s2的输出端和第一电路输出端的正极相连，第二开关管s2的输入端、第一电感l1的另一端和第二半导体器件d2的输入端相连，所述第二半导体器件d2的输入端与第一电感l1的另一端和第二开关管s2的输入端相连，所述第一电路输入端的负极与第二半导体器件d2的输出端相连；
21.所述第二电路输入端的正极和第三开关管s3的输入端相连，所述第二电路输入端的负极、第二电感l2的一端、第二电容c2的一端和第二电路的输出端的正极相连，所述第二开关管s2的输出端、第三半导体器件d3的输入端和第二电容c2的另一端、第二电路的输出端的负极相连，所述第三开关管s3的输出端与第一电感l1的另一端和第三半导体器件d3的输出端相连；
22.所述第一电路和第二电路的输入端正极相连作为高增益直流变换器的输入端的正极，所述第一电路和第二电路的输入端负极相连作为高增益直流变换器的输入端的负极，所述第一电路输出端的负极作为高增益直流变换器的输出端的负极，所述第一电路输出端的正极与所述第二电路输出端的负极相连，所述第二电路输出端的正极作为高增益直流变换器的输出端的正极。
23.由上述描述可知，给出了具体的实现电路，没有使用变压器，无漏感，变换器结构简单，体积小，成本低，变换器控制简单，可靠性高。
24.进一步地，所述第一电容c1和第二电容c2是有极电容，所述第一电容c1的正极、第二电容c2的负极、第二开关管s2的输出端和第三半导体器件d2的输入端相连，所述第一电容c1的负极、第一半导体器件d1的输入端和所述直流变换器输出端的负极相连，所述第二电容c2的正极、第二电感l2的一端和所述直流变换器输出端的正极相连。
25.由上述描述可知，给出了有极电容的连接方式。
26.进一步地，所述第一开关管s1、第二开关管s2和第三开关管s3均为n型mos管，所述第一开关管s1、第二开关管s2和第三开关管s3的漏极为输入端，源极为输出端。
27.由上述描述可知，给出了开关管的选型。
28.进一步地，所述第一电路包括至少两个次级第一电路，每个次级第一电路均包括第一开关管s1、第一半导体器件d1、第二开关管s2、第二半导体器件d2、第一电感l1和第一
电容c1，各个次级第一电路输入端并联作为第一电路的输入端，各个次级第一电路的输出端串联作为第一电路的输出端。
29.由上述描述可知，多个次级增益电路能提供更高的增益。
30.进一步地，每个次级第一电路的输入端的正极与所在次级第一电路的第一开关管s1的输入端相连，每个次级第一电路的第一开关管s1的输出端与所在次级第一电路的第一电感l1的一端和所在次级第一电路的第一半导体器件d1的输出端相连，每个次级第一电路的第一半导体器件d1的输入端与所在次级第一电路的第一电容c1的一端和所在次级第一电路的输出端的负极相连，每个次级第一电路的所述第一电容c1的另一端与所在次级第一电路的第二开关管s2的输出端和所在次级第一电路的输出端的正极相连，每个次级第一电路的所述第二半导体器件d2的输入端与所在次级第一电路的第一电感l1的另一端和所在次级第一电路的第二开关管s2的输入端相连，每个次级第一电路的输入端的负极与所在次级第一电路的第二半导体器件d2的输出端相连；
31.各个次级第一电路的输入端的正极相连作为第一电路的输入端的正极，各个次级第一电路的输入端的负极相连作为第一电路的输入端的负极；
32.各个次级第一电路依次排序，首个第一电路的输出端的负极作为第一电路的输出端的负极，其余次级第一电路的输出端的负极与前一个次级第一电路的输出端的正极连接，最后一个次级第一电路的输出端的正极作为第一电路输出端的正极。
33.由上述描述可知，给出了具体的实现结构。
34.进一步地，各个次级第一电路的第一电容c1均为有极电容，各个次级第一电路的第一电容c1的正极与所在的次级第一电路的正极相连，各个次级第一电路的第一电容c1的负极与所在的次级第一电路的负极相连。
35.由上述描述可知，给出了有极电容的连接方式。
36.进一步地，所述第一半导体器件d1具体是第一二极管，所述第一二极管的阳极作为输入端，阴极作为输出端；所述第二半导体器件d2具体是第二二极管，所述第二二极管的阳极作为输入端，阴极作为输出端；所述第三半导体器件d3具体是第三二极管，所述第三二极管的阳极作为输入端，阴极作为输出端。
37.由上述描述可知，二极管能简化控制，降低成本。
38.进一步地，所述高增益直流变换器包括第一工作模式和第二工作模式，
39.所述高增益直流变换器处于第一工作模式时，第一开关管s1、第二半导体器件d2和第三开关管s3导通，第一半导体器件d1、第二开关管s2和第三半导体器件d3关断；
40.所述高增益直流变换器处于第二工作模式时，第一半导体器件d1、第二开关管s2和第三半导体器件d3导通，第一开关管s1、第二半导体器件d2和第三开关管s3关断。
41.由上述描述可知，实现了直流变换器的运行。
42.进一步地，根据m＝n*d1/(1-d1)计算工作在第一工作模式的时间占比，式中，n为次级直流增益电路数量，d1为工作在第一工作模式的时间占比，m为增益。
43.由上述描述可知，给出了根据需求增益计算占空比的方法。
44.本发明用于对直流电源进行高增益变换。
45.请参照图1-6，本发明的实施例一为：
46.一种高增益直流变换器，包括输入端、第一电路、第二电路和输出端，所述输入端
连接直流输入电源，所述输出端连接负载，所述第一电路和第二电路均为次级直流增益电路，第一电路和第二电路的输入端并联作为高增益直流变换器的输入端，第一电路和第二电路的输出端串联作为高增益直流变换器的输出端。
47.具体而言，所述第一电路包括第一开关管s1、第一二极管d1、第二开关管s2、第二二极管d2、第一电感l1和第一电容c1；
48.所述第二电路包括第三开关管s3、第三二极管d3、第二电感l2和第二电容c2。
49.本实施例中，所述第一开关管s1、第二开关管s2和第三开关管s3均为n型mos管。
50.所述直流输入电源的正极与第一开关管s1的漏极和第三开关管s3的漏极相连，所述第一开关管s1的源极与第一电感l1的一端和第一二极管d1的阴极相连，所述第一二极管d1的阳极与第一电容c1的负极和负载的负极相连；所述电源的负极与第二二极管d2的阴极、第二电感l2的一端、第二电容c2的正极和负载的正极相连，所述第二二极管d2的阳极与第一电感l1的另一端和第二开关管s2的漏极相连，所述第二开关管s2的源极与第一电容c1的正极、第三二极管d3的阳极和第二电容c2的负极相连，所述第三开关管s3的源极与第一电感l1的另一端和第三二极管d3的阴极相连。
51.所述第一开关管s1占空比为d1，第二开关管s2占空比为d2，第三开关管s3占空比为d3，在一个开关周期内，第一开关管s1和第二开关管s2形成互补导通状态，即不是第一开关管s1导通，就是第二开关管s2导通，也即d2＝1-d1，且第三开关管s3导通状态与第一开关管s1导通状态一致，即d3＝d1。
52.图2中的(0-t1)阶段和(t2-t4)阶段为第一种工作模式，如图3所示，第一开关管s1、第二二极管d2和第三开关管s3导通，第一二极管d1、第二开关管s2和第三二极管d3关断，此时电路有三个回路；第一个回路由直流输入电源、第一开关管s1、第一电感l1和第二二极管d2组成，第一电感l1两端电压vl1等于直流输入电源电压vin，即vl1＝vin，第一电感l1储存能量，第一电感l1电流il1线性增加，相当于直流输入电源将能量传递给第一电感l1；第二个回路由直流输入电源、第三开关管s3和第二电感l2组成，第二电感l2两端电压vl2等于直流输入电源电压vin，即vl2＝vin，第二电感l2储存能量，第二电感l2电流il2线性增加，相当于直流输入电源将能量传递给第二电感l2；第三个回路由第一电容c1、第二电容c2和负载组成，负载电压vo等于第一电容c1电压vc1与第二电容c2电压vc2之和，即vo＝vc1+vc2，第一电容c1和第二电容c2均释放能量，相当于第一电容c1和第二电容c2串联并将能量传递给负载。
53.图2中的(t1-t2)阶段和(t3-t4)阶段为第二种工作模式，如图4所示，第一二极管d1、第二开关管s2和第三二极管d3导通，第一开关管s1、第二二极管d2和第三开关管s3关断，此时电路有三个回路；第一个回路由第一电感l1、第一二极管d1、第二开关管s2和第一电容c1组成，第一电感l1两端电压vl1等于负的第一电容c1电压vc1，即vl1＝-vc1，第一电感l1释放能量，第一电感l1电流il1线性减少，第一电容c1储存能量，相当于第一电感l1将能量传递给第一电容c1；第二个回路由第二电感l2、第三二极管d3和第二电容c2组成，第二电感l2两端电压vl2等于负的第二电容c2电压vc2，即vl2＝-vc2，第二电感l2释放能量，第二电感l2电流il2线性减少，第二电容c2储存能量，相当于第二电感l2将能量传递给第二电容c2；第三个回路由第一二极管d1、第一电感l1、第二开关管s2、第三二极管d3、第二电感l2和负载组成，第一电感l1两端电压vl1等于负的第一电容c1电压vc1，即vl1＝-vc1，第一电
感l1释放能量，第一电感l1电流il1线性减少，第二电感l2两端电压vl2等于负的第二电容c2电压vc2，即vl2＝-vc2，第二电感l2释放能量，第二电感l2电流il2线性减少，相当于第一电感l1和第二电感l2串联并将能量传递给负载。
54.利用psim仿真软件，本发明实施例的变换器电路仿真关键参数设置为直流输入电源电压vin＝12v,第一开关管s1占空比d1＝0.875，开关管的开关频率均为100khz。
55.由图5仿真结果可知，当第一开关管s1和第三开关管s3导通、第二开关管s2关断时，第一电感l1电流il1和第二电感l2电流il2均线性增加；当第二开关管s2导通、第一开关管s1和第三开关管s3关断时，第一电感l1电流il1和第二电感l2电流il2均线性减少，与图2开关周期理论分析一致。
56.由图5和图6仿真结果可知，第一电容c1电压vc1＝84v,与由公式vc1＝vin*d1/(1-d1)计算出来的理论值一致；第二电容c2电压vc2＝84v,与由公式vc2＝vin*d1/(1-d1)计算出来的理论值一致；负载电压vo＝168v,与由公式vo＝vc1+vc2＝2*vin*d1/(1-d1)计算出来的理论值一致。
57.由图5和图6仿真结果可知，实施例变换器电压增益m＝168v/12v＝14,与由公式m＝2*d1/(1-d1)计算出来的理论值一致。
58.综上所述，本发明提供的一种高增益直流变换器，通过多个增益电路实现高增益，且增益远高于传统升压电路，由于无需极端占空比，因此开关管尖峰电压小，开关管损耗低，变换器效率高。
59.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。