一种基于改进型准Z源网络的单开关DC-DC变换器

本发明属于dc-dc变换器，具体涉及一种基于改进型准z源网络的单开关dc-dc变换器。

背景技术：

1、近年来，越来越多的设备需要用于高压场所，如光伏并网系统、高压直流输电系统、微电源并网等。非隔离型高升压dc-dc变换器广泛应用于直流微电网系统，它们的应用降低了微源模块的电压水平，从而减少了串联微源模块的数量，进一步提高了直流微电网系统的安全性。用于直流微电网系统的dc-dc变换器应具有电压增益高、输入电流纹波小、效率高、结构简单、电磁干扰低等特点。

2、文献x. j. zhang, l. sun, y. s. guan, s. h. han：et al. novel highstep-up soft-switching dc-dc converter based on switched capacitor andcoupled-inductor[j]. ieee trans. power electron, 2020, 35(9): 9471-9481，提出了一种新型电感耦合开关电容的高升压dc-dc变换器，该变换器采用电容并联充电和串联放电，外加电感耦合，以获得较高的升压增益。利用耦合电感漏电流中存储的能量，两个开关都可以实现零电压开关，从而降低开关损耗，提高效率，但电压增益还不够高；文献t. j.liang, p. luo and k. h. chen, a high step-up dc-dc converter with three-winding coupled inductor for sustainable energy systems[j]. ieee trans. ind.electron, 2022, 69(10): 10249-10258，提出了一种适用于可持续能源系统的具有连续输入电流的高升压dc-dc变换器，利用一个三绕组耦合电感、两个功率开关、三个二极管和三个电容器来实现有源开关电感和开关电容的箝位、升压功能，输入电感由耦合电感一个绕组替代，减小了变换器的体积，缺点是电压增益不够高，器件应力较高不利于选型；文献s. hasanpour, y. p. siwakoti, and f. blaabjerg, a new high efficiency highstep-up dc-dc converter for renewable energy applications[j]. ieee trans.ind. electron, 2023, 70(2): 1489-1500， 提出了一种用于可再生能源的新型高效高升压dc-dc变换器，该变换器使用三耦合电感以及倍压结构作为升压单元进一步提升了电压增益，但是开关管两端的电压应力较高。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出一种基于改进型准z源网络的单开关dc-dc变换器，仅利用一个功率开关管并实现了所有有源器件的软开关特性，大大降低了开关损耗，减少了电路中的电磁干扰也提高的变换器的效率与可靠性。

2、为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种基于改进型准z源网络的单开关dc-dc变换器，包括直流输入电源 vg、储能电感 l1、第一二极管 d1、第二二极管 d2、第三二极管 d3、第四二极管 d4、第一电容 c1、第一输出电容 co1、第二输出电容 co2、第三输出电容 co3、第四输出电容 co4、功率开关管 s、负载 r、第一绕组耦合电感 l2a、第二绕组耦合电感 l2b、第三绕组耦合电感 l2c；

4、所述直流输入电源 vg的正极和储能电感 l1的第一端相连，其负极分别和功率开关管 s的第三端口、第一输出电容 co1的负极以及负载 r的第一端相连；

5、所述储能电感 l1的第二端分别与第一二极管 d1的阳极、第一电容 c1的负极以及功率开关管 s的第一端口相连；

6、所述功率开关管 s的第二端口用于接入控制信号；

7、所述第一电容 c1的正极与第三绕组耦合电感 l2c的同名端相连；

8、所述第一二极管 d1的阴极分别与第一输出电容 co1的正极、第一绕组耦合电感 l2a的同名端以及第二输出电容 co2的负极相连；

9、所述第二二极管 d2的阳极分别与第三绕组耦合电感 l2c的异名端、第一绕组耦合电感 l2a的异名端相连，其阴极分别与第三二极管 d3的阳极、第三输出电容 co3的负极以及第二输出电容 co2的正极相连；

10、所述第三二极管 d3的阴极分别与第四二极管 d4的阳极以及第二绕组耦合电感 l2b的同名端相连；

11、所述第四二极管 d4的阴极分别与第四输出电容 co4的正极以及负载 r的第二端相连；

12、所述第三输出电容 co3的正极分别与第二绕组耦合电感 l2b的异名端和第四输出电容 co4的负极相连。

13、可选地，所述功率开关管 s上还包括体二极管 ds；所述功率开关管 s的第三端口与体二极管 ds的阳极相连，功率开关管 s的第一端口与体二极管 ds的阴极相连。

14、可选地，所述第一绕组耦合电感 l2a、第二绕组耦合电感 l2b、第三绕组耦合电感 l2c上具有漏感，等效为漏感 l1k；所述第一绕组耦合电感 l2a上具有励磁电感，等效为励磁电感 lm。

15、可选地，所述第一绕组耦合电感 l2a、第二绕组耦合电感 l2b、第三绕组耦合电感 l2c的绕组匝数比为1： n1： n2，其中 n1= n2： n1， n2= n3： n1。

16、可选地，所述功率开关管 s、第一二极管 d1、第二二极管 d2、第三二极管 d3、第四二极管 d4的电压应力表达式为：

17、，

18、其中， vs为功率开关管 s两端电压， vd1、 vd2、 vd3、 vd4分别为第一二极管 d1、第二二极管 d2、第三二极管 d3、第四二极管 d4两端的电压， d为功率开关管 s导通时的占空比， b为dc-dc变换器的输出增益， vg为直流输入电源 vg的两端电压， vo为dc-dc变换器的直流输出电压。

19、可选地，所述功率开关管 s、第一二极管 d1、第二二极管 d2、第三二极管 d3、第四二极管 d4的电压应力表达式为：

20、，

21、其中， is分别为流经功率开关管 s的电流， b为dc-dc变换器的输出增益， d为功率开关管 s导通时的占空比， id1、 id2、 id3、 id4分别为流经第一二极管 d1、第二二极管 d2、第三二极管 d3、第四二极管 d4的电流， io为dc-dc变换器的输出电流。

22、可选地，当功率开关管 s使用igbt时，所述功率开关管 s的第一端、第二端和第三端分别对应代表其集电极、基极和发射极。

23、可选地，当功率开关管 s使用mosefet时，所述功率开关管 s的第一端、第二端和第三端分别对应代表其源极、栅极和漏极。

24、可选地，所述单开关高电压增益零电流软开关dc-dc变换器还包括控制器，所述控制器与所述功率开关管 s的第二端相连，控制方式为单极性pwm控制。

25、可选地，所述控制器为tms320f28335dsp控制芯片。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果：

27、本发明提出一种基于改进型准z源网络的单开关dc-dc变换器，包括直流输入电源 vg、储能电感 l1、第一二极管 d1、第二二极管 d2、第三二极管 d3、第四二极管 d4、第一电容 c1、第一输出电容 co1、第二输出电容 co2、第三输出电容 co3、第四输出电容 co4、功率开关管 s、负载 r和三绕组耦合电感 l2a、 l2b、 l2c；其中，储能电感 l1、功率开关管 s、第一电容 c1、三耦合电感 l2a、 l2b、 l2c、第一二极管 d1和第一输出电容 co1共同构成改进型准z源网络，该变换器不仅继承了准z源变换器输入电流连续、电路无源箝位的优势，而且结合耦合电感的使用使得其具有优秀的升压能力。同时，通过耦合电感漏感与谐振电容的准谐振电路结构使用，仅利用一个开关管并实现了所有有源器件的软开关特性，大大降低了开关损耗，减少了电路中的电磁干扰也提高的变换器的效率与可靠性。

28、本发明具有结构简单、控制方便、电压增益高、输入纹波小、共地、效率高等特点，适用于分布式发电系统领域的使用。