一种非串联级联的N次型Boost变换器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种非串联级联的N次型Boost变换器，主要包括输入电路单元，开关切换单元，N-1个升压电路单元和输出电路单元。其中输入电路单元包括输入电源和一个功率电感；开关切换单元由一个开关管构成；每个升压电路单元都由两个二极管，一个升压电感和一个中间储能电容构成；输出电路单元包括一个二极管，一个电容，负载。本实用新型利用每个升压单元的升压特性将输入电压泵升，实现输出电压的升高。本实用新型只利用一个功率开关管，且在没有采用逐级串联连接方式的条件下是实现了输出电压的高增益，即输出电压为输入电压的倍，其中D为本实用新型提供的变换器工作时功率开关管工作的占空比。
【专利说明】一种非串联级联的N次型Boost变换器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电力电子变换器【技术领域】，具体涉及一种非串联级联的N(N ^ 2，且N为整数)次型Boost变换器。
【背景技术】
[0002]随着工业的发展，对能源的需求原来越多，分布式能源系统得到了越来越多的关注。在分布式能源并网所需技术中，电力电子变换器是必不可少。然而在众多分布式能源系统例如太阳能发电系统和风能发电系统中，单块太阳能电池或者单个风机提供的电压与电网电压相比非常低，为了更好地实现并网，就需要一级高效率、高增益、性能稳定的升压电力电子变换器把低电压直流电转换为适合实际需要的高压直流电。
[0003]此外，在不间断电源系统和燃料电池系统中，对升压变换器增益的要求也越来越闻。
[0004]目前最常用的升压变换器是传统Boost变换器，它虽然结构简单，但是升压范围十分有限，通常升压倍数都在十倍以内，很难满足高增益的变换要求。利用耦合电感技术实现的单管高增益变换器虽然可以实现变换器增益的提高，但是输入电流纹波较大。利用交错并联技术可以减小输入电流纹波但是不能实现变换器增益的拓展。为实现增益拓展，还可以使用开关电容技术，这种技术电路结构简单，容易实现，但是存在着开关管电流尖峰冲击大，电压增益有限的缺点。虽然通过多级开关电容结构可以进一步拓展变换器的电压增益，但是电路结构会变得非常复杂。通过将传统Boost变换器逐级串联的方法可以得到高增益的变换器，但是开关管数量大大增加，造成成本升高，系统稳定性降低。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种非串联级联的N(N≥2，且N为整数)次型Boost变换器。
[0006]本实用新型通过如下技术方案实现:
[0007]一种非串联级联的N次型Boost变换器，主要包括输入电路单元，开关切换单元，N-1个升压电路单元和输出电路单元，其中N≥2，且N为整数。
[0008]所述输入电路单元包括输入电源和第一功率电感；
[0009]所述N-1个升压电路单元，每个升压电路单元都由两个二极管、一个升压电感和一个中间储能电容构成；
[0010]所述输出电路单兀包括第一二极管、第一电容和负载。
[0011]所述开关切换单元由一个开关管构成。
[0012]其中，输入电源的正极分别与第一功率电感的一端和第一升压电路单兀的第一二极管的阳极连接；
[0013]第一功率电感的另一端分别与第一升压电路单兀的中间储能电容的一端和第一升压电路单元的第二二极管的阳极连接；[0014]第一升压电路单元的第二二极管的阴极分别与第一升压电路单元的第一二极管的阴极、第一升压电路单元的升压电感的一端和第二升压电路单元的第一二极管的阳极连接;
[0015]第一升压电路单元的升压电感的另一端分别与第二升压电路单元的中间储能电容的一端和第二升压电路单元的第二二极管的阳极连接；
[0016]第二升压电路单元的第二二极管的阴极分别与第二升压电路单元的第一二极管的阴极、第二升压电路单元的升压电感的一端和第三升压电路单元的第一二极管的阳极连接;
[0017]第二升压电路单元的升压电感的另一端分别与第三升压电路单元的中间储能电容的一端和第三升压电路单元的第二二极管的阳极连接；
[0018]第三升压电路单元的第二二极管的阴极分别与第三升压电路单元的第一二极管的阴极、第三升压电路单元的升压电感的一端和第四升压电路单元的第一二极管的阳极连接;
[0019]同理，第N-2升压电路单元的第二二极管的阴极分别与第N-2升压电路单元的第一二极管的阴极、第N-2升压电路单元的升压电感的一端和第N-1升压电路单元的第一二极管的阳极连接；
[0020]第N-2升压电路单元的升压电感的另一端分别与第N-1升压电路单元的中间储能电容的一端和第N-1升压电路单元的第二二极管的阳极连接；
[0021]第N-1升压电路单元的第二二极管的阴极分别与第N-1升压电路单元的第一二极管的阴极和第N-1升压电路单元的升压电感的一端连接；
[0022]开关管的漏极分别与第一二极管的阳极、所有升压电路单元的中间储能电容的另一端和第N-1升压电路单元的升压电感的另一端连接；
[0023]第一二极管的阴极分别与第一电容的一端和负载的一端连接；
[0024]输入电源的负极分别与开关管的源极、第一电容的另一端和负载的另一端连接。
[0025]与现有技术相比本实用新型具有如下优点:
[0026]本实用新型只需用一个开关管，且在没有采用逐级串联连接方式的条件下，即可实现变换器增益的大幅提高，即实现输出电压为输入电压的倍，其中D为本实用新
型提供的变换器工作时功率开关管工作的占空比，结构简单，控制方便；
[0027]本实用新型工作时利用每个升压模块的内在升压特性，将输入电压泵升，实现输出电压的升闻。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是本实用新型所述的一种非串联级联的N次型Boost变换器的结构图；
[0029]图2a、图2b分别是本实用新型所述变换器在一个开关周期内的工作模态I和工作模态2的电路图，图中实线表示变换器中有电流流过的部分，虚线表示变换器中没有电流流过的部分，箭头所示方向为电流流过的方向；
[0030]图3是本实用新型实施例1的结构图，在此实施例中N=3 ；
[0031]图4a、图4b分别是本实用新型所述变换器实施例1在一个开关周期内的工作模态I和工作模态2的电路图，图中实线表示变换器中有电流流过的部分，虚线表示变换器中没有电流流过的部分，箭头所示方向为电流流过的方向；
[0032]图5是本实用新型实施例2的结构图，在此实施例中N=4 ；
[0033]图6是本实用新型所述变换器N取不同值时增益对比曲线图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
[0035]如图1所示，一种非串联级联的N次型Boost变换器，主要包括输入电路单元W，开关切换单元Y，N-1个升压电路单元(X1, X2，X3^uXp1)和输出电路单元Z，其中N≥2，且N为整数；
[0036]所述输入电路单元包括输入电源Vg和第一功率电感L1 ；
[0037]所述N-1个升压电路单元(X1, X2, X3,…XN—J，每个升压电路单元Xi都由两个二极管(D(i+1)1，D(i+1)2)、一个升压电感Li+1和一个中间储能电容Ci+1构成，其中i=l，2，3,-,N-1 ；
[0038]所述输出电路单兀包括第一二极管D1、第一电容C1和负载R。
[0039]所述开关切换 单元由一个开关管S构成；
[0040]其中，输入电源Vg的正极分别与第一功率电感L1的一端和第一升压电路单元X1的第一二极管D21的阳极连接；
[0041]第一功率电感L1的另一端分别与第一升压电路单元X1的中间储能电容C2的一端和第一升压电路单元X1的第二二极管D22的阳极连接；
[0042]第一升压电路单元X1的第二二极管D22的阴极分别与第一升压电路单元X1的第一二极管D21的阴极、第一升压电路单元X1的升压电感L2的一端和第二升压电路单元X2的第一二极管D31的阳极连接；
[0043]第一升压电路单元X1的升压电感L2的另一端分别与第二升压电路单元X2的中间储能电容C3的一端和第二升压电路单元X2的第二二极管D32的阳极连接；
[0044]第二升压电路单元X2的第二二极管D32的阴极分别与第二升压电路单元X2的第一二极管D31的阴极、第二升压电路单元X2的升压电感L3的一端和第三升压电路单元X3的第一二极管D41的阳极连接；
[0045]第二升压电路单元X2的升压电感L3的另一端分别与第三升压电路单元X3的中间储能电容C4的一端和第三升压电路单元X3的第二二极管D42的阳极连接；
[0046]第三升压电路单元X3的第二二极管D42的阴极分别与第三升压电路单元X3的第一二极管D41的阴极、第三升压电路单元X3的升压电感L4的一端和第四升压电路单元X4的第一二极管D51的阳极连接；
[0047]同理，第N-2升压电路单元XN_2的第二二极管D(n_1)2的阴极分别与第N-2升压电路单元XN_2的第一二极管D(N_m的阴极、第N-2升压电路单元XN_2的升压电感LN—i的一端和第N-1升压电路单元Xim的第一二极管Dni的阳极连接；
[0048]第N-2升压电路单元XN_2的升压电感Lp1的另一端分别与第N-1升压电路单元Xn-!的中间储能电容Cn的一端和第N-1升压电路单元Xim的第二二极管Dn2的阳极连接；
[0049]第N-1升压电路单元Xim的第二二极管Dn2的阴极分别与第N-1升压电路单元ΧΝ_ι的第一二极管Dni的阴极和第N-1升压电路单元Xim的升压电感Ln的一端连接；
[0050]开关管S的漏极分别与第一二极管D1的阳极、所有升压电路单元的中间储能电容(C2, C3, C4,…，Cn)的另一端和第N-1升压电路单元XN_i的升压电感Ln的另一端连接；
[0051]第一二极管D1的阴极分别与第一电容C1的一端和负载R的一端连接；
[0052]输入电源Vg的负极分别与开关管S的源极、第一电容C1的另一端和负载R的另一端连接。
[0053]如图2a和图2b所示，一种非串联级联的N次型Boost变换器在一个开关周期内主要有2个工作模态，分别描述如下:
[0054]工作模态1:
[0055]如图2a所示，开关管S开通，所有升压电路单元的第一二极管(D21，D31, D41,…，Dni)导通,第一二极管D1和所有升压电路单兀的第二二极管(D22,D32,D42,.",Dn2)截止。输入电源Vg和第一升压电路单元X1的中间储能电容C2共同给第一功率电感L1充电，输入电源Vg和第二升压电路单元X2的中间储能电容C3共同给第一升压电路单元X1的升压电感L2充电，输入电源Vg和第三升压电路单元X3的中间储能电容C4共同给第二升压电路单元X2的升压电感L3充电，输入电源Vg和第四升压电路单元X4的中间储能电容C5共同给第三升压电路单元X3的升压电感L4充电，以此类推，输入电源Vg和第N-1升压电路单元Xim的中间储能电容Cn共同给第N-2升压电路单元XN_2的升压电感Lim充电；输入电源Vg单独给第N-1升压电路单兀Xim的升压电感Ln充电，第一功率电感L1和所有升压电路单兀的升压电感(L2，L3, L4, L5,…，Ln)储能，所有升压电路单元的中间储能电容(C2，C3, C4, C5, -,Cn)释放能量。第一电容C1给负载R提供 能量。
[0056]此工作模态下，相关电气参数关系式为:
[0057]Vk =Vg + VCi_
[0058]K2 + Vc3
[0059]Vhi =Vg+Vca
[0060]…
[0061]K+P
[0062]Vln = Vg
[0063]其中，匕 y V …，V Gw分别为第一功率电感L1和所有升压电路单元的升压电感(L2，L3,…，V1, Ln)在工作模态I时两端电压值，Vg为输入电压值，vC2, rC3，fV…，L分别为所有升压电路单元的中间储能电容(C2，C3，C4,…，CN)两端电压值。
[0064]如图2b所示，开关管S关断，第一二极管D1和所有升压电路单元的第二二极管(D22,D32,D42,.",Dn2)导通,所有升压电路单兀的第一二极管(D21,D31,D41,.",Dni)截止。第一升压电路单元X1的升压电感L2通过第一升压电路单元X1的第二二极管D22向第一升压电路单元X1的中间储能电容C2放电，第一升压电路单元X1的中间储能电容C2储能，第二升压电路单元X2的升压电感L3通过第二升压电路单元X2的第二二极管D32向第二升压电路单元X2的中间储能电容C3放电，第二升压电路单元X2的中间储能电容C3储能，第三升压电路单元X3的升压电感L4通过第三升压电路单元X3的第二二极管D42向第三升压电路单元X3的中间储能电容C4放电，第三升压电路单元X3的中间储能电容C4储能，以此类推，第N-1升压电路单元Xim的升压电感Ln通过第N-1升压电路单元Xim的第二二极管Dn2向第N-1升压电路单元Xim的中间储能电容(；放电，第N-1升压电路单元Xim的中间储能电容C2n储能；同时，第一功率电感L1通过第一二极管D1续流，向负载R释放能量，同时给第一电容C1充电，第一电容C1储能。
[0065]此工作模态下，相关电气参数关系式为:
[0066]
【权利要求】
1.一种非串联级联的Λ/次型Boost变换器，其特征在于包括输入电路单元(们，开关切换单元(19，输出电路单元(Z)廣I个升压电路单元CT1,名，不，…ZN—i)，其中#≥2，且#为整数； 所述输入电路单元(r)包括输入电源(4)和第一功率电感(Z1)； 所述#一 I个升压电路单元Cr1,忑，不，…石―I每个升压电路单元Op都由两个二极管^^^^邮丨一个升压电感⑷^和一个中间储能电容化^构成^中i=l，2，3，…,N— I ； 所述输出电路单元⑵包括第一二极管(仏)、第一电容(C1)和负载0?)。
2.根据权利要求1所述的一种非串联级联的#次型Boost变换器，其特征在于:所述开关切换单元(10由一个开关管(幻构成。
3.根据权利要求1所述的一种非串联级联的#次型Boost变换器，其特征在于: 输入电源(G)的正极分别与第一功率电感(Z1)的一端和第一升压电路单元CT1)的第一二极管(D21)的阳极连接； 第一功率电感(Z1)的另一端分别与第一升压电路单兀(Z1)的中间储能电容(Cr2)的一端和第一升压电路单元CT1)的第二二极管(久2)的阳极连接； 第一升压电路单元CT1)的第二二极管(久2)的阴极分别与第一升压电路单元CT1)的第一二极管(D21)的阴 极、第一升压电路单元CT1)的升压电感(Z2)的一端和第二升压电路单元O2)的第一二极管(D31)的阳极连接； 第一升压电路单元CT1)的升压电感(Z2)的另一端分别与第二升压电路单元O2)的中间储能电容(G)的一端和第二升压电路单元O2)的第二二极管(久2)的阳极连接； 第二升压电路单元O2)的第二二极管(A2)的阴极分别与第二升压电路单元Op的第一二极管(D31)的阴极、第二升压电路单元O2)的升压电感(Z3)的一端和第三升压电路单元(為)的第一二极管(D41)的阳极连接； 第二升压电路单元O2)的升压电感(Z3)的另一端分别与第三升压电路单元O3)的中间储能电容(C4)的一端和第三升压电路单元CT3)的第二二极管(A2)的阳极连接； 第三升压电路单元CT3)的第二二极管(A2)的阴极分别与第三升压电路单元O3)的第一二极管(D41)的阴极、第三升压电路单元CT3)的升压电感(Z4)的一端和第四升压电路单元O4)的第一二极管(D51)的阳极连接； 第N — 2升压电路单兀Cf# —2)的第二二极管(j(N_1)2)的阴极分别与第N — 2升压电路单元CT# —2)的第一二极管OVd1)的阴极、第N —2升压电路单元cr# —2)的升压电感αΝ—!>的一端和第N — I升压电路单元cr#—i)的第一二极管(^1)的阳极连接； 第N — 2升压电路单兀(；—2)的升压电感(ZN—J的另一端分别与第N — I升压电路单元(A—i)的中间储能电容(G)的一端和第N — I升压电路单元cr#—i)的第二二极管α?Ν2)的阳极连接； 第N — I升压电路单兀Cf#—J的第二二极管(Dn2)的阴极分别与第N — I升压电路单元(A-1)的第一二极管(Dni)的阴极和第N — I升压电路单元(Ad)的升压电感(Zn)的一端连接； 开关管(Λ的漏极分别与第一二极管(A)的阳极、所有升压电路单元的中间储能电容(C2, C? Ca,...，&)的另一端和第N — I升压电路单元cr#— i)的升压电感(Zn)的另一端连接; 第一二极管(A)的阴极分别与第一电容(G)的一端和负载0?)的一端连接； 输入电源(匕)的负极分别与开关管(Λ的源极、第一电容(C1)的另一端和负载0?)的另一端 连接。
【文档编号】H02M3/07GK203590022SQ201320575088
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】张波, 张能 申请人:华南理工大学