一种融合开关电容技术的高增益耦合电感DC-DC变换器

一种融合开关电容技术的高增益耦合电感dc-dc变换器
技术领域
1.本实用新型属于dc-dc变换设备技术领域，涉及到一种融合开关电容技术的高增益耦合电感dc-dc变换器。


背景技术：

2.目前，能源危机和环境污染问题的不断加剧，促进了清洁能源与绿色能源的快速发展。光伏系统、燃料电池以及潮汐能发电等清洁能源转换技术都具有很大的发展前景，在实际应用中，这些电能转换电路结构需要有较高的效率和升压增益，但是由于能源转换过程中单个模块的升压能力太低，无法得到较高的输出电压。高增益dc-dc升压变换器在许多工业应用中发挥着越来越重要的作用，如不间断电源、可再生能源系统、分布式光伏发电系统和直流微电网等。在诸如并网系统或ups等应用中，在低压输入源(光伏电池板、燃料电池和电池组)和逆变器之间使用高增益变换器作为接口，以满足逆变器输入时的高压要求。这种应用需要一个能够提供高效率的高增益变换器。
3.因此研究如何通过一个独立的模块得到一个稳定的高输出电压，成为了现如今一个急于解决的热门问题。传统经典的boost变换器在低功率场合具有设置方便、体积小等优点，在大功率场合中，具有稳定性好、易于控制等优点。但是很多的场合也凸显了传统boost变换器的缺点，由于自身升压能力不足，所以在高升压场合，电路容易运行于极限占空比下，这将导致功率开关管的导通损耗非常大，降低了开关管的寿命，且使控制难度增加。对于前段时间，研究人员提出的 z源逆变器，该装置实现了升压和并网功能，其结构简单、安全性高，且在dc/dc 变换器中的应用也得到了证明。然而z源网络的自身拓扑结构，也反衬出了其升压能力有限，为得到高电压，就要面对极限占空比的问题。伴随着领域内部研究的深入，人们陆续提出一些引入开关电感、耦合电感等单元模块来实现高电压增益的拓扑，但是因为单元运用不合理等原因，会出现电路电压应力较高、升压效率低等问题。与此同时研究人员通过多级电路进行级联的方式，在较小的直通占空比情况下，获得较高的电压增益，然而这样却增加了电路中元器件的数量，增加了电路的复杂程度、降低了变换器效率。
4.因此，亟需设计一种在较低占空比下，获得较高的电压增益且结构简单、工作效率高的dc-dc变换电路。


技术实现要素：

5.针对现研究领域内技术所存在的不足，本实用新型结合耦合电感、开关电容技术，提出了一种融合开关电容技术的高增益耦合电感dc-dc变换器，该变换器即使在占空比较小的条件下，也能够通过耦合电感的巧妙连接方式获得较高的电压增益，并且因为耦合电感匝比的灵活改变，拓扑的电压增益的调节具有较大的自由度，而且耦合电感的应用使电路结构中应用的器件变少，使拓扑工作效率提高，同时降低了电路出现故障的概率，能够吸收变压器漏感能量，钳制开关管 s上产生的电压尖峰。
6.为了实现上述目的，本实用新型所述融合开关电容技术的高增益耦合电感 dc-dc
变换器包括直流电源、第一耦合绕组、第二耦合绕组、功率开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和负载，其中第一耦合绕组、第二耦合绕组、第一电容和第三电容连接组成耦合电感单元；直流电源的正极分别与第一耦合绕组同名端和第一二极管阳极连接，直流电源的正极分别与功率开关管负极、第二电容负极、第四二极管负极和负载连接；第一电容负极分别与功率开关管正极和第一耦合绕组异名端连接，第一电容的正极分别与第一二极管阴极、第二二极管阳极和第二耦合绕组同名端连接，第二二极管的阴极分别与第二电容正极和第三二极管阳极相连，第二电容负极与功率开关管共地，可以有效钳制开关管上关断时所产生的电压尖峰；第二耦合绕组异名端与第三电容负极相连，第三电容正极分别与第三二极管阴极和第四二极管阳极相连，第四二极管阴极分别与第四电容正极和负载相连。
7.本实用新型所述第一耦合绕组n1、第二耦合绕组n2的匝数比为n1:n2，通过改变耦合绕组的匝数比，能够实现输出电压对所述直流电源电压的升压变换。
8.本实用新型所述功率开关管的导通或截止采用pwm控制方式，pwm控制即为脉宽可调制脉冲波，采用pwm控制实现开关模块的导通或截止，使储能元件进行储能与放能，而且耦合电感单元的引入，pwm占空比不用设置很高，拓扑就能得到较为理想的高增益电压。
9.本实用新型与现有dc-dc升压变换器电路拓扑结构相比，应用了耦合电感单元，不需要多余的输入电感单元，通过调节耦合电感原副线圈的匝数比，实现了在小占空比条件下获得高升压增益的目的，避免了极限占空比的出现，通过设计的耦合电感绕组与开关电容单元巧妙地连接，不仅减少了电路的电压应力，而且减少了电磁干扰，同时增加了电路结构的可靠性，同时对开关管进行了钳制；其结构整体设计合理、使用安全、操作简单，具有较大的应用潜力，使用的器件较少、设计成本不高，减少了开关管等器件的损耗，提升了拓扑的工作效率，基本上达到了设计要求的理想效果。
附图说明：
10.图1为本实用新型的主体电路结构原理示意图。
11.图2为本实用新型的功率开关管导通的工作状态示意图。
12.图3为本实用新型的功率开关管关断的工作状态示意图。
具体实施方式：
13.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
14.实施例：
15.本实施例所述融合开关电容技术的高增益耦合电感dc-dc变换器结构如图 1所示，包括直流电源vg、第一耦合绕组n1、第二耦合绕组n2、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do、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容co和负载r
l
，其中第一耦合绕组n1、第二耦合绕组n2、第一电容c1和第三电容c3连接组成耦合电感单元；直流电源 vg的正极分别与第一耦合绕组n1同名端和第一二极管d1阳极连接，直流电源 vg的正极分别与功率开关管s负极、第二电容c2负极、第四二极管do负极和负载r
l
连接；第一电容c1负极分别与功率开关管s正极和第一耦合绕组n1异名端连接，第一电容c1的正极分别与第一二极管d1阴极、第二二极管d2阳极和第二耦合绕组n2同名端连接，第二二极
管d2的阴极分别与第二电容c2正极和第三二极管d3阳极相连，第二电容c2负极与功率开关管s共地，可以有效钳制开关管s上关断时所产生的电压尖峰；第二耦合绕组n2异名端与第三电容c3负极相连，第三电容c3正极分别与第三二极管d3阴极和第四二极管do阳极相连，第四二极管do阴极分别与第四电容co正极和负载r
l
相连。
16.本实施例所述第一耦合绕组n1、第二耦合绕组n2的匝数比为n1:n2，通过改变耦合绕组的匝数比，能够实现输出电压对所述直流电源电压的升压变换。
17.本实实施例所述功率开关管的导通或截止采用pwm控制方式，pwm控制即为脉宽可调制脉冲波，采用pwm控制实现开关模块的导通或截止，使储能元件进行储能与放能，而且耦合电感单元的引入，pwm占空比不用设置很高，拓扑就能得到较为理想的高增益电压。
18.本实施例所述变换器在连续工作模式的情况下，共有两个工作状态：
19.(1)直通状态时的工作状态如图2所示，功率开关管s导通，第一二极管 d1、第三二极管d3正向导通，第二二极管d2、第四二极管do反向截止，直流电源vg上的能量通过功率开关管s转移到第一耦合绕组n1上，电流逐渐增加，同时将能量传输给第二耦合绕组n2，第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3通过第二耦合绕组n2进行充电，同时第四电容co对负载r
l
放电，而且由于co足够大，此时负载r
l
上的电压基本保持不变；
20.(2)截止状态时的工作状态示意图如图3所示，功率开关管s关断，第四二极管do、第二二极管d2正向导通，第一二极管d1、第三二极管d3反向截止，电流回路如图3所示，第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3通过第四二极管 do给第四电容co充电储能，由于第四电容co足够大，所以此时负载r
l
上的电压基本保持不变。
21.本实施例所述第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管 do为快恢复二极管，快恢复二极管具有开关特性好、反向恢复时间短的特点，快恢复二极管的内部结构与普通pn结二极管不同，它属于pin结型二极管，即在p型硅材料与n型硅材料中间增加了基区i，构成pin硅片。因基区很薄，反向恢复电荷很小，所以快恢复二极管应用在本实施例中可以实现反向恢复时间短、正向压降低、反向耐压值高的效果。
22.本实施例耦合电感上的漏感在稳态分析时被忽略，变压器为理想变压器，耦合绕组原副线圈n1、n2匝数比为n1:n2＝n1:n2，同时，功率器件的损耗也不被考虑，功率开关管s导通时，第一耦合绕组n1通过直流电源vg储能，第二耦合然组n2通过第一耦合绕组n1传递的能量，给第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3进行储能；功率开关管s关断时，v
c1
、v
c2
、v
c3
通过第四二极管do给第四电容co传递能量，同时开关电容单元吸收耦合电感原边线圈n1的漏感，对开关管s的电压进行钳位，利用耦合电感第一耦合绕组和第二耦合绕组的电感伏秒平衡法则，得到输出电压的表达式：
[0023][0024][0025]
其中，b为该变换器的电压增益，d为占空比，n为匝比；当设计要求输出电压转换为输入电压的10倍以上时，如果根据传统的boost电路升压增益的表达式vo＝ vg/(1-d)来计算，当达到设计要求的10倍升压增益，此时要求的占空比d必须达到0.9，此时电路的开关管
将处于极限状态下，这样会很容易影响整个电路的工作效率，增加器件损坏的概率，最终影响整个电路的升压转换效率；而在本实施例中，根据电路电压关系的分析，如果设计要求电路结构能够得到10倍的升压增益，当直通占空比为0.556时，耦合绕组匝数只需满足n＝2就可达到输出要求。所以当设计要求得到很高的升压倍数时，避免了极限占空比情况的出现、减少了器件的开关损耗、降低器件损坏的概率、使得变换器拓扑的安全性、可靠性得到了进一步的提高，从而整体上提高了电路的工作效率。
[0026]
上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

技术特征：
1.一种融合开关电容技术的高增益耦合电感dc-dc变换器，其特征在于，包括直流电源、第一耦合绕组、第二耦合绕组、功率开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和负载，其中第一耦合绕组、第二耦合绕组、第一电容和第三电容连接组成耦合电感单元；直流电源的正极分别与第一耦合绕组同名端和第一二极管阳极连接，直流电源的正极分别与功率开关管负极、第二电容负极、第四二极管负极和负载连接；第一电容负极分别与功率开关管正极和第一耦合绕组异名端连接，第一电容的正极分别与第一二极管阴极、第二二极管阳极和第二耦合绕组同名端连接，第二二极管的阴极分别与第二电容正极和第三二极管阳极相连，第二电容负极与功率开关管共地，第二耦合绕组异名端与第三电容负极相连，第三电容正极分别与第三二极管阴极和第四二极管阳极相连，第四二极管阴极分别与第四电容正极和负载相连。

技术总结
本实用新型属于DC-DC变换设备技术领域，涉及到一种融合开关电容技术的高增益耦合电感DC-DC变换器，第一电容负极分别与功率开关管正极和第一耦合绕组异名端连接，第一电容的正极分别与第一二极管阴极、第二二极管阳极和第二耦合绕组同名端连接，第二二极管的阴极分别与第二电容正极和第三二极管阳极相连，第二电容负极与功率开关管共地，第二耦合绕组异名端与第三电容负极相连，第三电容正极分别与第三二极管阴极和第四二极管阳极相连，第四二极管阴极分别与第四电容正极和负载相连，通过设计的耦合电感绕组与开关电容单元巧妙地连接，不仅减少了电路的电压应力，而且减少了电磁干扰，同时增加了电路结构的可靠性，同时对开关管进行了钳制。管进行了钳制。管进行了钳制。


技术研发人员：叶睿明 薛鹏飞 赵振伟 张民 袁成功 赵昌 曹益畅 韦正怡 周明珠 王凤莲
受保护的技术使用者：青岛理工大学
技术研发日：2021.12.03
技术公布日：2022/5/25