有源开关电容和无源开关电感混合的准Z源DC-DC变换器制造技术

本发明专利技术公开了一种有源开关电容和无源开关电感混合的准Z源DC‑DC变换器，包括电压源，第一电感，由第一二极管、第一MOS管、第一电容构成的有源开关电容单元，由第二二极管、第三二极管、第二电感构成的无源开关电感单元，输出MOS管，输出二极管，输出滤波电容和输出负载。本发明专利技术综合准Z源的高增益特性、有源开关电容和无源开关电感特性，与3‑Z源网络升压DC‑DC变换器相比，电感数量少两个，电容数量一样，二极管数量少5个，MOS管数量多一个，但电压增益显著提升；与可扩展二极管辅助Z源升压DC‑DC变换器(第一级扩展)相比，电压增益相同，电感数量和电容数量分别减少一个和两个，二极管数量相同，MOS管数量多一个，以更低占空比实现了更高的输出电压增益。

【技术实现步骤摘要】
有源开关电容和无源开关电感混合的准Z源DC-DC变换器
本专利技术涉及电力电子的
，尤其是指一种有源开关电容和无源开关电感混合的准Z源DC-DC变换器。
技术介绍
Z源DC-DC变换器在输入源和输出端之间接入了一个X形的LC阻抗网络，兼具升压和降压的独特性质，且由于其在较低占空比下较之boost变换器具有更高的电压增益，使得其广泛应用于燃料电池发电和光伏发电中。传统的Z源DC-DC变换器存在着电源电流不连续和输入输出不共地等缺陷，近年来提出的准Z源DC-DC变换器很好地解决了这两个问题，且通过多级准Z源阻抗网络的级联可以获得相当高的电压增益。然而，多级准Z源的级联随之增加了电感、电容等无源器件的数量，使得电路的体积、重量和成本大大增加，限制了该电路在以系统体积、重量和成本为限制因素的低功耗电路中的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种有源开关电容和无源开关电感混合的准Z源DC-DC变换器，综合了准Z源的高增益特性、有源开关电容和无源开关电感特性，极大地减少了无源器件的数量，以更低占空比实现了更高的输出电压增益，在以电路体积、重量和成本为主要限制因素的低功耗电路应用中具有明显的优势，因而应用范围更广；输入电流连续且电路不存在启动冲击问题。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：有源开关电容和无源开关电感混合的准Z源DC-DC变换器，包括电压源、第一电感、有源开关电容单元、无源开关电感单元、输出MOS管、输出二极管、输出滤波电容和输出负载；所述有源开关电容单元由第一二极管、第一MOS管、第一电容构成；所述无源开关电感单元由第二二极管、第三二极管、第二电感构成；所述电压源的正极与第一电感的一端连接，所述第一电感的另一端分别与第一二极管的阳极和第一MOS管的漏极连接，所述第一二极管的阴极分别与第一电容的正极、输出MOS管的漏极和输出二极管的阳极连接；所述输出二极管的阴极分别与输出滤波电容的正极和输出负载的一端连接，所述第一MOS管的源极分别与第二二极管的阳极、第二电感的一端和第一电容的负极连接，所述第二二极管的阴极分别与第三二极管的阴极和电压源的负极连接，所述第三二极管的阳极分别与第二电感的另一端、输出MOS管的源极、输出滤波电容的负极和输出负载的另一端连接。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：与3-Z源网络升压DC-DC变换器相比，所用的电感数量少两个，所用的电容数量一样，所用的二极管数量少5个，所用的MOS管数量多一个，但电压增益显著提升；与可扩展二极管辅助Z源升压DC-DC变换器(第一级扩展)相比，电压增益相同，但电感数量和电容数量分别减少了一个和两个，所用的二极管数量相同，所用的MOS管数量多一个，因而极大地减少了无源器件的数量，以更低占空比实现了更高的输出电压增益，在以电路体积、重量和成本为主要限制因素的低功耗电路应用中具有明显的优势，因而应用范围更广；输入电流连续且电路不存在启动冲击问题。附图说明图1是本专利技术的有源开关电容和无源开关电感混合的准Z源DC-DC变换器电路图。图2a、图2b分别是本专利技术的有源开关电容和无源开关电感混合的准Z源DC-DC变换器在其两个MOS管同时开通和同时断开时的等效电路图。图3a是本专利技术电路的升压因子曲线与开关电感准Z源DC-DC变换器、3-Z源网络升压DC-DC变换器、基于有源开关电容结构的嵌入式准Z源DC-DC变换器、准开关升压DC-DC变换器、可扩展二极管辅助Z源升压DC-DC变换器(第一级扩展)和传统准Z源DC-DC变换器的升压因子曲线比较图。图3b是以Vin＝20V，MOS管导通占空比D＝0.35为例给出了本专利技术电路相关变量的仿真结果图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明。如图1所示，本实施例所提供的有源开关电容和无源开关电感混合的准Z源DC-DC变换器，包括电压源Vin、第一电感L1、有源开关电容单元、无源开关电感单元、输出MOS管S2、输出二极管DO、输出滤波电容CO和输出负载R；所述有源开关电容单元由第一二极管D1、第一MOS管S1、第一电容C1构成；所述无源开关电感单元由第二二极管D2、第三二极管D3、第二电感L2构成；所述电压源Vin的正极与第一电感L1的一端连接，所述第一电感L1的另一端分别与第一二极管D1的阳极和第一MOS管S1的漏极连接，所述第一二极管D1的阴极分别与第一电容C1的正极、输出MOS管S2的漏极和输出二极管DO的阳极连接；所述输出二极管DO的阴极分别与输出滤波电容CO的正极和输出负载R的一端连接，所述第一MOS管S1的源极分别与第二二极管D2的阳极、第二电感L2的一端和第一电容C1的负极连接，所述第二二极管D2的阴极分别与第三二极管D3的阴极和电压源Vin的负极连接，所述第三二极管D3的阳极分别与第二电感L2的另一端、输出MOS管S2的源极、输出滤波电容CO的负极和输出负载R的另一端连接。当两个MOS管S1,S2同时导通时，所述第三二极管D3导通，第一二极管D1、第二二极管D2和输出二极管DO均关断。电路形成两个回路，分别是：电压源Vin串联第一电容C1一起给第一电感L1储能，形成回路；第一电容C1给第二电感L2储能，形成回路。当两个MOS管S1,S2同时关断时，第三二极管D3关断，第一二极管D1、第二二极管D2和输出二极管DO均导通。电路形成两个回路，分别是：电压源Vin与第一电感L1串联一起给第一电容C1充电，形成回路；第一电容C1与第二电感L2串联一起通过输出二极管DO给负载供电，形成回路；整体电路输入电流连续，与3-Z源网络升压DC-DC变换器相比，所用的电感数量少两个，所用的电容数量一样，所用的二极管数量少5个，所用的MOS管数量多一个，但电压增益显著提升；与可扩展二极管辅助Z源升压DC-DC变换器(第一级扩展)相比，电压增益相同，但电感数量和电容数量分别减少了一个和两个，所用的二极管数量相同，所用的MOS管数量多一个，因而极大地减少了系统体积、重量和成本；且电路不存在启动冲击问题。图2a、图2b给出了本专利技术电路的工作过程图。图2a、图2b分别是两个MOS管(S1,S2)同时导通和同时关断时的等效电路图。图中实线表示电路中有电流流过的部分，虚线表示电路中无电流流过的部分。结合图2a、图2b，本实施例上述有源开关电容和无源开关电感混合的准Z源DC-DC变换器的工作过程如下：阶段1，如图2a：当两个MOS管S1,S2同时导通时，第三二极管D3导通，第一二极管D1、第二二极管D2和输出二极管DO均关断。电路形成两个回路，分别是：电压源Vin串联第一电容C1一起给第一电感L1储能，形成回路；第一电容C1给第二电感L2储能，形成回路。阶段2，如图2b：当两个MOS管S1,S2同时关断时，第三二极管D3关断，第一二极管D1、第二二极管D2和输出二极管DO均导通。电路形成两个回路，分别是：电压源Vin与第一电感L1串联一起给第一电容C1充电，形成回路；第一电容C1与第二电感L2串联一起通过输出二极管DO给负载供电，形成回路。综上情况，两个MOS管S1,S2同时导通和关断。一个开关周期内，设MOS管S1,S2的导通占空比为D，设第一电感L1和第二电感L2两端的电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.有源开关电容和无源开关电感混合的准Z源DC‑DC变换器，其特征在于，包括电压源(Vin)、第一电感(L1)、有源开关电容单元、无源开关电感单元、输出MOS管(S2)、输出二极管(DO)、输出滤波电容(CO)和输出负载(R)；所述有源开关电容单元由第一二极管(D1)、第一MOS管(S1)、第一电容(C1)构成；所述无源开关电感单元由第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第二电感(L2)构成；所述电压源(Vin)的正极与第一电感(L1)的一端连接，所述第一电感(L1)的另一端分别与第一二极管(D1)的阳极和第一MOS管(S1)的漏极连接，所述第一二极管(D1)的阴极分别与第一电容(C1)的正极、输出MOS管(S2)的漏极和输出二极管(DO)的阳极连接；所述输出二极管(DO)的阴极分别与输出滤波电容(CO)的正极和输出负载(R)的一端连接，所述第一MOS管(S1)的源极分别与第二二极管(D2)的阳极、第二电感(L2)的一端和第一电容(C1)的负极连接，所述第二二极管(D2)的阴极分别与第三二极管(D3)的阴极和电压源(Vin)的负极连接，所述第三二极管(D3)的阳极分别与第二电感(L2)的另一端、输出MOS管(S2)的源极、输出滤波电容(CO)的负极和输出负载(R)的另一端连接。...

【技术特征摘要】
1.有源开关电容和无源开关电感混合的准Z源DC-DC变换器，其特征在于，包括电压源(Vin)、第一电感(L1)、有源开关电容单元、无源开关电感单元、输出MOS管(S2)、输出二极管(DO)、输出滤波电容(CO)和输出负载(R)；所述有源开关电容单元由第一二极管(D1)、第一MOS管(S1)、第一电容(C1)构成；所述无源开关电感单元由第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第二电感(L2)构成；所述电压源(Vin)的正极与第一电感(L1)的一端连接，所述第一电感(L1)的另一端分别与第一二极管(D1)的阳极和第一MOS管(S1)的漏极连接，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈艳峰，刘明杰，张波，丘东元，黄子田，
申请(专利权)人：华南理工大学，东莞市石龙富华电子有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44