一种基于耦合电感的零输入纹波高增益直流变换器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于耦合电感的零输入纹波高增益直流变换器。包括直流输入电源，开关管，耦合电感，第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管，第一电感、第二电感，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容和负载。本发明专利技术将耦合电感变比升压、电容二极管升压网络和电容钳位结合在一起构成零输入纹波高增益直流变换器，具有高电压增益、零输入纹波小和变换效率高等优点，非常适合于高升压比直流电压变换应用场合。

A zero input ripple high gain DC / DC converter based on coupled inductors

【技术实现步骤摘要】
一种基于耦合电感的零输入纹波高增益直流变换器
本专利技术涉及电力电子
，特别涉及一种基于耦合电感的零输入纹波高增益直流变换器。
技术介绍
在可再生能源发电系统中，由于许多可再生能源输出直流电压较低，为了给后级的并网逆变器供电，需要采用一个高增益的直流变换器，把低电压直流电转换为适合并网的高电压直流电，因此高效率高增益直流变换器不可或缺。目前，在传统直流变换器的基础上，提升变换器增益的方式通常有：变换器级联、增加开关电容、采用耦合电感等。变换器级联虽能有效提升电压增益，但存在拓扑结构和控制方式复杂等不足，且环路设计相对困难；采用开关电容电路的升压增益有限，为获得更高升压增益，需要采用多个开关电容单元，增加了电路复杂度和成本；在不需要电气隔离的应用场合，由于可通过设定耦合电感匝数比来提高电压增益，易于实现高增益变换，因此，基于耦合电感的高升压增益DC-DC变换器得到广泛关注。对于光伏、燃料电池等新能源，直流变换器的输入电流纹波不仅影响其发电效率，还影响光伏电池板和燃料电池等的使用寿命，因此，低输入电流纹波、高增益直流变换器拓扑成为研究的热点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于耦合电感的零输入纹波高增益直流变换器，将耦合电感变比升压、电容二极管升压网络和电容钳位结合在一起构成零输入纹波高增益直流变换器，具有高电压增益、零输入纹波和变换效率高等优点，非常适合于高升压比直流电压变换应用场合。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种基于耦合电感的零输入纹波高增益直流变换器，包括直流输入电源，开关管，耦合电感，第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管，第一电感、第二电感，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容和负载；直流输入电源的正极经第二电感与第一电感的一端、第一电容的一端连接，直流输入电压的负极与开关管的源极、第三电容的一端、第五电容的一端、负载的一端连接，第一电感的另一端与第一二极管的阳极、第二二极管的阳极连接，第一电容的另一端与第一二极管的阴极、第二电容的一端、耦合电感原边绕组的第一端连接，第二电容的另一端与第五二极管的阴极、第五电容的另一端、负载的另一端连接，第二二极管的阴极与耦合电感原边绕组的第二端、耦合电感副边绕组的第一端、开关管的漏极、第三二极管的阳极连接，耦合电感副边绕组的第二端经第四电容与第五二极管的阳极、第四二极管的阴极连接，第三二极管的阴极与第四二极管的阳极、第三电容的另一端连接。在本专利技术一实施例中，所述零输入纹波高增益直流变换器由耦合电感变比升压、电容二极管升压网络和电容钳位结合在一起构成，具有电压增益高、输入电流纹波小和变换效率高等特点。在本专利技术一实施例中，所述零输入纹波高增益直流变换器利用第一电容、第二电容的钳位作用使第二电感两端电压接近于零，从而实现零输入电流纹波。在本专利技术一实施例中，所述零输入纹波高增益直流变换器的电压增益为其中，n为耦合电感副边与原边的匝数比，D为开关管工作占空比。在本专利技术一实施例中，所述零输入纹波高增益直流变换器的工作方式如下：(1)模态1(t0-t1)：t0时刻，开关管S导通，第二二极管VD2、第五二极管VDo导通，第一二极管VD1、第三二极管VD3、第四二极管VD4截止；直流输入电源Vin与第二电感La、第一电容C1、第二电容C2串联在一起给负载侧提供能量；直流输入电源Vin通过第二二极管VD2和开关管S给第一电感L1充电，电感电流iL1线性上升；直流输入电源Vin与第二电感La、第一电容C1串联通过开关管S给耦合电感原边绕组漏感Lk充电，耦合电感原边绕组电流ip线性快速增加，励磁电流iLm减小；耦合电感副边绕组与第四电容C4串联通过开关管S、第五二极管VDo向负载侧传递能量，当t1时刻，第五二极管VDo电流iVDo减为0时，此模态结束；(2)模态2(t1-t2)：开关管S继续导通，第二二极管VD2、第四二极管VD4导通，第一二极管VD1、第三二极管VD3、第五二极管VDo截止；直流输入电源Vin与第二电感La、第一电容C1串联在一起通过开关管S给耦合电感原边绕组励磁电感Lm充电，励磁电流iLm线性上升；直流输入电源Vin通过第二二极管VD2和开关管S给第一电感L1继续充电，电感电流iL1线性上升；耦合电感副边绕组和第三电容C3串联通过开关管S和第四二极管VD4给第四电容C4充电；第五电容Co向第二电容C2放电和提供负载R能量，当t2时刻，开关管S关断，此模态结束；(3)模态3(t2-t3)：t2时刻，开关管S关断，第一二极管VD1、第三二极管VD3、第四二极管VD4导通，第二二极管VD2、第五二极管VDo截止；第一电感L1通过第一二极管VD1向第一电容C1放电，电感电流iL1减小；耦合电感原边绕组漏感Lk能量通过第三二极管VD3被第三电容C3吸收，原边电流ip开始减小；耦合电感副边绕组通过第三二极管VD3、第四二极管VD4继续给第四电容C4充电；第五电容Co向负载R提供能量，当t3时刻，第四二极管VD4关断，此模态结束；(4)模态4(t3-t4)：开关管S继续关断，第一二极管VD1、第三二极管VD3、第五二极管VDo导通，第二二极管VD2、第四二极管VD4截止；直流输入电源Vin与第二电感La、第一电容C1、第二电容C2串联在一起给负载侧提供能量；第一电感L1通过第一二极管VD1向第一电容C1继续放电；耦合电感原边绕组励磁电感Lm通过耦合电感副边绕组向负载侧传递能量，励磁电流iLm减小，原边电流ip继续减小；耦合电感副边绕组与第三电容C3、第四电容C4串联通过第五二极管VDo向负载侧传递能量，当t4时刻，流过第三二极管VD3的电流iVD3为0时，此模态结束；(5)模态5(t4-t5)：开关管S继续关断，第一二极管VD1、第五二极管VDo导通，第二二极管VD2、第三二极管VD3、第四二极管VD4截止；直流输入电源Vin与第二电感La、第一电容C1、第二电容C2串联在一起给负载侧提供能量；第一电感L1继续放电，电感电流iL1减小；耦合电感原边绕组、副边绕组与第四电容C4串联通过第五二极管VDo向第二电容C2充电，原边电流ip与励磁电流iLm继续减小，当t5时刻，开关管S开通时，此模态结束，下一个开关周期开始。相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术基于耦合电感的零输入纹波高增益直流变换器，将耦合电感变比升压、电容二极管升压网络和电容钳位结合在一起构成的，具有高电压增益、零输入纹波和高变换效率等优点，非常适合于高升压比直流电压变换应用场合。附图说明图1为本专利技术的零输入纹波高增益直流变换器。图2为本专利技术的零输入纹波高增益直流变换器各模态等效电路。图3为本专利技术的零输入纹波高增益直流变换器主要工作波形。图4为本专利技术的零输入纹波高增益直流变换器主要电流仿真波形。图5为本专利技术的零输入纹波高增益直流变换器主要电压仿真波形。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的技术方案进行具体说本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于耦合电感的零输入纹波高增益直流变换器，其特征在于，包括直流输入电源，开关管，耦合电感，第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管，第一电感、第二电感，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容和负载；直流输入电源的正极经第二电感与第一电感的一端、第一电容的一端连接，直流输入电压的负极与开关管的源极、第三电容的一端、第五电容的一端、负载的一端连接，第一电感的另一端与第一二极管的阳极、第二二极管的阳极连接，第一电容的另一端与第一二极管的阴极、第二电容的一端、耦合电感原边绕组的第一端连接，第二电容的另一端与第五二极管的阴极、第五电容的另一端、负载的另一端连接，第二二极管的阴极与耦合电感原边绕组的第二端、耦合电感副边绕组的第一端、开关管的漏极、第三二极管的阳极连接，耦合电感副边绕组的第二端经第四电容与第五二极管的阳极、第四二极管的阴极连接，第三二极管的阴极与第四二极管的阳极、第三电容的另一端连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于耦合电感的零输入纹波高增益直流变换器，其特征在于，包括直流输入电源，开关管，耦合电感，第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管，第一电感、第二电感，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容和负载；直流输入电源的正极经第二电感与第一电感的一端、第一电容的一端连接，直流输入电压的负极与开关管的源极、第三电容的一端、第五电容的一端、负载的一端连接，第一电感的另一端与第一二极管的阳极、第二二极管的阳极连接，第一电容的另一端与第一二极管的阴极、第二电容的一端、耦合电感原边绕组的第一端连接，第二电容的另一端与第五二极管的阴极、第五电容的另一端、负载的另一端连接，第二二极管的阴极与耦合电感原边绕组的第二端、耦合电感副边绕组的第一端、开关管的漏极、第三二极管的阳极连接，耦合电感副边绕组的第二端经第四电容与第五二极管的阳极、第四二极管的阴极连接，第三二极管的阴极与第四二极管的阳极、第三电容的另一端连接。


2.根据权利要求1所述的一种基于耦合电感的零输入纹波高增益直流变换器，其特征在于，所述零输入纹波高增益直流变换器由耦合电感变比升压、电容二极管升压网络和电容钳位结合在一起构成，实现高电压增益和零输入电流纹波。


3.根据权利要求1所述的一种基于耦合电感的零输入纹波高增益直流变换器，其特征在于，所述零输入纹波高增益直流变换器利用第一电容、第二电容的钳位作用使第二电感两端电压接近于零，从而实现零输入电流纹波。


4.根据权利要求1所述的一种基于耦合电感的零输入纹波高增益直流变换器，其特征在于，所述零输入纹波高增益直流变换器的电压增益为其中，n为耦合电感副边与原边的匝数比，D为开关管工作占空比。


5.根据权利要求1所述的一种基于耦合电感的零输入纹波高增益直流变换器，其特征在于，所述零输入纹波高增益直流变换器的工作方式如下：
(1)模态1(t0-t1)：t0时刻，开关管S导通，第二二极管VD2、第五二极管VDo导通，第一二极管VD1、第三二极管VD3、第四二极管VD4截止；直流输入电源Vin与第二电感La、第一电容C1、第二电容C2串联在一起给负载侧提供能量；直流输入电源Vin通过第二二极管VD2和开关管S给第一电感L1充电，电感电流iL1线性上升；直流输入电源Vin与第二电感La、第一电容C1串联通过开关管S给耦合电感原边绕组漏感Lk充电，耦合电感原边绕组电流ip线性快速增加，励磁电流iLm减小；耦合电感副边绕组与第四电...

【专利技术属性】
技术研发人员：林国庆，洪建超，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35