一种集成开关电容与耦合电感的准Z源DC-DC变换器制造技术

本发明专利技术属于DC

【技术实现步骤摘要】
一种集成开关电容与耦合电感的准Z源DC
‑
DC变换器


[0001]本专利技术属于DC
‑
DC变换设备
，涉及一种集成开关电容与耦合电感的准Z源DC
‑
DC变换器。

技术介绍

[0002]近年来，为解决生态环境保护和不可再生能源危机问题，利用可再生和清洁能源组成分布式发电系统的发展迅猛。其中以光伏电池、燃料电池、风力发电等为甚，在实际的应用中，这些电能转换电路结构都必须具有效率高、升压增益高等特点，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。例如光伏电源便是应用较为广泛的清洁能源之一，但是由于单块光伏板的输出电压较低(18
‑
56V)，不能为后级的逆变并网装置提供足够的电压，解决方法之一就是将光伏板串并联使用，以提高电压等级和功率等级，但是这样会使系统的故障率提高，一块光伏板故障会导致整个系统无法正常运行。
[0003]所以研究如何利用一个独立的模块得到稳定的高增益输出电压，成为了一个亟待解决的问题。在现有的研究中，传统的拓扑结构例如Boost、Buck
‑
Boost、Sepic等，结构简单且易于控制，但是这些拓扑无法达到较高、较理想的电压增益和较高的效率，要达到升压目的需要电路长时间工作在极限占空比的情况下，这是难以实现的。针对该问题可以通过多级电路进行级联，在较小的直通占空比情况下，获得较高的电压增益。但这样增加了电路中元器件的数量，提高了电路的复杂程度、增加了设计成本、降低了工作效率。随着近年来的发展，出现了一些加入开关电感、耦合电感等模块实现高升压能力的拓扑，但此种类型的拓扑由于漏感的存在和实际场合大功率的要求，会出现开关管等器件的电压应力大等问题，而高压大功率的电力电子器件价格昂贵，这样无疑会使整个拓扑的制作成本大幅度增加。因此，寻找一种在较低直通占空比下能够获得较高的升压增益且结构简单、工作效率高的DC
‑
DC变换电路已经成为该领域的研究热点。

技术实现思路

[0004]针对现有研究情况所存在的上述技术缺陷，本专利技术设计提供一种集成开关电容与耦合电感的准Z源DC
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DC变换器，其在直通占空比较小的条件下，能够获得较高的电压增益，同时电路结构中使用器件相对较少、工作效率高、故障率低、实际应用也行之有效。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术所述集成开关电容与耦合电感的准Z源DC
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DC变换器，包括直流电源、准Z源模块、耦合电感模块、开关电容模块和切换模块，直流电源与准Z源模块相连，准Z源模块的第一电容、第二电容、第一二极管与切换模块形成开关管箝位回路，减少开关管上电压尖峰；耦合电感模块由两个互相耦合良好的第一耦合电感和第二耦合电感组成，两个耦合电感的匝比为1:n，可以在升压因子中注入耦合电感匝比影响因子，从而有效避免极限占空比情况，通过调整占空比的大小以及耦合绕组的匝比，即可实现较低直通占空比下输出电压增益的变化；开关电容模块的输入端与第二耦合电感相连，输出端与二极管阳极相连，二极管阴极并联有电容器和负载，用于提高电压增益，且由于电容器的低
的正极与第一耦合电感L
2a
的同名端连接，负极接地；第二电容C2的正极分别与第一耦合电感L
2a
的异名端、第二耦合电感L
2b
的同名端连接；第二二极管D2的阳极分别与第二耦合电感L
2b
的异名端和第三电容C3的负极连接，阴极分别与第三二极管D3的阳极和第四电容C4的正极连接；第三二极管D3的阳极分别与第二二极管D2的阴极和第四电容C4的正极连接，阴极分别与第三电容C3的正极和二极管D
o
的阳极连接；二极管D0阴极并联有电容器C0和负载R；第三电容C3的正极与二极管D
o
的阳极连接，负极与第二耦合电感L
2b
的异名端连接；第四电容C4的负极接地；开关管S的漏极分别与第一耦合电感L
2a
的异名端、第二耦合电感L
2b
的同名端和第二电容C2的正极连接，源极接地。
[0017]本实施例所述集成开关电容与耦合电感的准Z源DC
‑
DC变换器在连续工作模式的情况下，有直通与非直通状态两个工作状态：
[0018]直通状态(图2)：开关管S导通时，第三二极管D3正向导通，第一二极管D1、第二二极管D2、二极管D
o
反向截止，直流电源V
g
与第二电容C2上的能量通过开关管S转移到输入电感L1；第四电容C4通过第三二极管D3给第三电容C3充电；第一电容C1通过开关管S给第一耦合电感L
2a
提供能力，同时第二耦合电感L
2b
通过原边储能；电容C
o
足够大，为负载R提供能量，且负载R上的电压基本保持不变。
[0019]非直通状态(图3)：开关管S关断时，第一二极管D1、第二二极管D2、二极管D
o
正向导通，第三二极管D3反向截止，此时直流电源V
g
、输入电感L1、第一耦合电感L
2a
、第二耦合电感L
2b
与第三电容C3一起为负载R提供能量，同时，第一电容C1通过第一二极管D1充电，第一耦合电感L
2a
通过第一二极管D1为第二电容C2充电，第四电容C4通过第二二极管D2充电。
[0020]本实施例为了简化分析，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，耦合绕组匝数比为n＝N2:N1，同时，功率器件的损耗也不被考虑，通过KVL定律与电感伏秒平衡定律，可以得到所提一种集成开关电容与耦合电感的准Z源DC
‑
DC变换器在CCM下的增益：
[0021][0022]将本实施例所述集成开关电容与耦合电感的准Z源DC
‑
DC变换器在输入、输出电压满足升压增益以及变换器功率在200W的测试条件下进行测试，整个电路的整体工作效率可以达到95％左右，基本满足设计要求。
[0023]上述虽然结合附图对本专利技术的具体实施方式进行了描述，但并非对本专利技术保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本专利技术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专利技术的保护范围以内。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成开关电容与耦合电感的准Z源DC
‑
DC变换器，其特征在于：包括直流电源、准Z源模块、耦合电感模块、开关电容模块和切换模块，直流电源与准Z源模块相连，准Z源模块的第一电容、第二电容、第一二极管与切换模块形成开关管箝位回路；耦合电感模块由第一耦合电感和第二耦合电感组成，两个耦合电感的匝比为1:n；开关电容模块的输入端与第二耦合电感相连，输出端与二极管阳极相连，二极管阴极并联有电容器和负载。2.根据权利要求1所述集成开关电容与耦合电感的准Z源DC
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DC变换器，其特征在于：所述准Z源模块由输入电感、第一二极管、第一电容和第二电容构成：输入电感的一端连接直流电源的正极，另一端分别与第一二极管的阳极和第二电容的负极连接；第一二极管的阴极分别与第一耦合电感的同名端和第一电容的正极连接，阳极与第二电容的负极连接；第一电容的正极与第一耦合电感的同名...

【专利技术属性】
技术研发人员：张民，王凤莲，曹益畅，周明珠，韦正怡，薛鹏飞，叶睿明，赵振伟，袁成功，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：