一种改进型z源升压dc-dc变换器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种改进型Z源升压DC-DC变换器，包括电压源、Z源阻抗网络、MOS管、第二二极管、输出滤波电容和负载；所述Z源阻抗网络由第一电感、第二电感、第一电容、第二电容和第一二极管构成，所述电压源Vs、Z源阻抗网络及MOS管构成升压电路，第二二极管、输出滤波电容和负载构成输出电路。本实用新型整个电路结构简单，具有较高的输出电压增益，且Z源阻抗网络电容电压应力低，电路不存在启动冲击问题。
【专利说明】一种改进型Z源升压DC-DC变换器
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及电力电子领域，具体涉及一种改进型z源升压DC-DC变换器。
【背景技术】
[0002] 在燃料电池发电、光伏发电中，由于单个太阳能电池或者单个燃料电池提供的直 流电压较低，无法满足现有用电设备的用电需求，也不能满足并网的需求，往往需要将多个 电池串联起来达到所需的电压。这种方法一方面大大降低了整个系统的可靠性，另一方面 还需解决串联均压问题。为此，需要能够把低电压转换为高电压的高增益DC-DC变换器。近 几年提出的Z源升压DC-DC变换器是一种高增益DC-DC变换器，但该电路具有较高的Z源 阻抗网络电容电压应力，且电路启动时存在很大的启动冲击电流和电压，限制了该电路在 实际中的应用。 实用新型内容
[0003] 为了克服现有技术存在的缺点与不足，本实用新型提供了一种改进型Z源升压 DC-DC变换器。
[0004] 本实用新型采用如下技术方案：
[0005] -种改进型Z源升压DC-DC变换器，包括电压源Vs，Z源阻抗网络、M0S管S、第二二 极管D 2、输出滤波电容C。和负载所述电压源VS、Z源阻抗网络及M0S管S构成升压电路， 所述第二二极管D 2、输出滤波电容C。和负载&构成输出电路。
[0006] 所述Z源阻抗网络由第一电感Q、第二电感L2、第一电容Q、第二电容C2和第一二 极管D 2构成；
[0007] 所述电压源vs的正极分别与第一电感U的一端和第一电容Ci的负极连接，所述 第一二极管Di的阳极分别与第一电感U的另一端和第二电容C 2的负极连接；所述第一二 极管A的阴极分别与第一电容Q的正极和第二电感L2的一端连接，所述第二电感L 2的另 一端分别与第二电容C2的正极、M0S管S的漏极和第二二极管D2的阳极连接，所述第二二 极管D 2的阴极分别与输出滤波电容C。的正极和负载&的一端连接，所述负载&的另一端 分别与输出滤波电容C。的负极、M0S管S的源极和电压源V s的负极连接。
[0008] 所述第一电容Ci、第二电容C2和输出滤波电容C。均为电解电容。
[0009] M0S管导通时，电压源与第一电容串联对第二电感充电储能；同时电压源与第二 电容串联对第一电感充电储能；输出滤波电容对负载供电；M0S管关断时，电压源与第一电 感和第二电感一起对输出滤波电容和负载供电，完成升压功能。
[0010] 本实用新型的有益效果：
[0011] 本实用新型电压增益较高，Z源阻抗网络的电容电压应力低，对启动冲击电流和电 压具有很好的抑制作用；
[0012] 本实用新型电路适用于输入电压变化宽的场合，如燃料电池发电和光伏发电等新 能源发电【技术领域】。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1是本实用新型一种改进型Z源升压DC-DC变换器电路图；
[0014] 图2 (a)?图2 (b)分别是图1中所示电路在其M0S管S导通和关断时的等效电 路图，图中实线表示变换器中有电流流过的部分，虚线表示变换器中无电流流过的部分；
[0015] 图3 (a)?图3 (e)是本实用新型电路工作时的波形图，其中图3 (a)是M0S管 的驱动波形图，图3 (b)是输入电压源的波形图，图3 (c)是Z源阻抗网络中第一电感和第 二电感的电流波形图，图3 (d)是输出电压的波形图，图3 (e)是Z源阻抗网络中第一电容 和第二电容的电压波形图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实 施方式不限于此。
[0017] 实施例
[0018] 如图1所示，一种改进型Z源升压DC-DC变换器，包括电压源VS，Z源阻抗网络、M0S 管S、第二二极管D2、输出滤波电容C。和负载& ;所述电压源Vs、Z源阻抗网络及M0S管S构 成升压电路，所述第二二极管D2、输出滤波电容C。和负载构成输出电路。
[0019] 所述Z源阻抗网络由第一电感Q、第二电感L2、第一电容Q、第二电容C2和第一二 极管Di构成；
[0020] 电路的具体连接方式为：
[0021] 所述电压源Vs的正极分别与第一电感U的一端和第一电容Q的负极连接，所述 第一二极管Di的阳极分别与第一电感U的另一端和第二电容C 2的负极连接；所述第一二 极管A的阴极分别与第一电容Q的正极和第二电感L2的一端连接，所述第二电感L 2的另 一端分别与第二电容C2的正极、M0S管S的漏极和第二二极管D2的阳极连接，所述第二二 极管D 2的阴极分别与输出滤波电容C。的正极和负载&的一端连接，所述负载&的另一端 分别与输出滤波电容C。的负极、M0S管S的源极和电压源V s的负极连接。
[0022] 所述第一电容Q、第二电容C2和输出滤波电容C。均为电解电容。
[0023] M0S管S导通时，电压源Vs与第一电容串联对第二电感L2充电储能，同时电压 源入与第二电容C 2串联对第一电感1^充电储能；输出滤波电容C。对负载&供电；M0S管S 关断时，电压源Vs与第一电感Q和第二电感L2 -起对输出滤波电容C。和负载&供电，完 成升压功能。整个电路结构简单，具有较高的输出电压增益，且Z源阻抗网络中的电容电压 应力低，电路不存在启动冲击问题。
[0024] 本实用新型的具体工作过程：
[0025] 阶段1，如图2 (a)所示：M0S管S导通，此时第一二极管Di和第二二极管D2处于 关断状态。电路形成了三个回路，分别是：电压源V s与第二电容C2 -起对第一电感U进行 充电储能，形成回路；电压源vs与第一电容q -起对第二电感L2进行充电储能，形成回路； 输出滤波电容C。对负载&供电，形成回路。
[0026] 阶段2,如图2 (b)所示：M0S管S关断，此时第一二极管Di和第二二极管D2均导 通。电路形成了三个回路，分别是：电压源V s与第一电感U和第二电感L2 -起对输出滤波 电容C。和负载&供电，形成升压回路；第一电感q对第一电容Ci充电，形成回路；第二电 感L2对第二电容c2充电，形成回路。
[0027] 综上情况，假定M0S管S的占空比为D，开关周期为Ts。由于Z源阻抗网络的对称 性，即第一电感U与第二电感L 2的电感量相等，第一电容Q与第二电容C2的电容值相等。 因此，有Vuivfv。VC1=V C2=VC。vu、ν?2、VC1和V C2分别是第一电感Q、第二电感L2、第一电容 Q和第二电容C2的电压，从而设定\和V。分别为Z源阻抗网络的电感电压和电容电压。
[0028] 在一个开关周期内，令输出电压为V。，当变换器进入稳态工作后，得出以下的电压 关系推导过程。
[0029] M0S管S导通期间，电压源Vs与第一电感Q和第二电容C2串联，由于电压源Vs的 极性与第二电容C 2的电压极性保持一致，因此有公式：
[0030] vL1=vL=Vs+VC2=V s+Vc (1)
[0031] 同时，电压源Vs与第二电感L2和第一电容Ci串联，同样由于电压源V s的极性与第 一电容Ci的电压极性保持一致，因此有公式：
[0032] vL2=vL=Vs+Vcl=V s+Vc (2)
[0033] M0S管S在一个开关周期Ts内的导通时间为DTS。
[0034] M0S管S关断期间，第一二极管Di导通，第一电感Q与第一电容Q并联，因此有公 式：
[0035] vL1=vL=-Vcl=-V c (3)
[0036] 同时，第二电感L2与第二电容C2并联，因此有公式：
[0037] vL2=vL=-VC2=-V c (4)
[0038] 电压源Vs与第一电感Q、第二电感L2和输出电路部分串联，因此有公式：
[0039] V〇=Vs-vL1-vL2=V s-2vL=Vs+2Vc (5)
[0040] M0S管S在一个开关周期Ts内的关断时间为（1-D)TS。
[0041] 由以上分析，根据Z源阻抗网络的对称性和电感伏秒数守恒原理，联立式（1)? (4)，可得：
[0042] (Vs+Vc)DTS+(-V c) (1-D)TS=0 (6)
[0043] 因此，可得到Z源阻抗网络的电容电压V。与电压源入的关系表达式为： η
[0044] (7) *" ^ 1 f% * 1 - ￡U
[0045] 又由公式（5)，可得该电路的增益因子表达式为： 「00461 G = - =- (8) l」 匕卜2Z)
[0047] 由式（7)和式（8)可得本电路Z源阻抗网络的电容电压Vc与输出电压V。的关系 式为：
[0048] VC=DV0 (9)
[0049] 由于本实用新型电路工作时的占空比D不超过0. 5,因此由式（9)可以看出，本实 用新型电路Z源阻抗网络中的电容电压Vc的最大值不超过0. 5倍的输出电压V。值，因而本 实用新型电路Z源阻抗网络中的电容电压应力较低。如图3 (a)为M0S管S的驱动\波 形图；图3 (b)为电压源入的波形图；图3 (c)为Z源阻抗网络中第一电感U和第二电感 L2的电流k波形图；图3 (d)为输出电压V。的波形图；图3 (e)为Z源阻抗网络中第一电 容心和第二电容C2的电压V。波形图。
[0050] 另外，由于本实用新型电路本身拓扑结构的特点，当其启动时，Z源阻抗网络中的 第一电感U和第二电感L 2对启动冲击电流有抑制作用，有利于变换器的软启动，减少了对 器件的冲击损害。
[0051] 综上所述，本实用新型电路不仅具有较高的电压增益，且Z源阻抗网络中电容电 压应力低，不存在启动冲击回路。
[0052] 上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述 实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替 代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种改进型Z源升压DC-DC变换器，包括电压源（Vs)，其特征在于，还包括Z源阻抗 网络、MOS管（S)、第二二极管（D 2)、输出滤波电容（C。）和负载（RJ;所述Z源阻抗网络由第 一电感D、第二电感（L2)、第一电容（Q)、第二电容（C 2)和第一二极管（DJ构成； 所述电压源（Vs)的正极分别与第一电感（U)的一端和第一电容（Q)的负极连接，所述 第一二极管（DJ的阳极分别与第一电感（LJ的另一端和第二电容（C2)的负极连接；所述 第一二极管（DJ的阴极分别与第一电容（Q)的正极和第二电感（L 2)的一端连接，所述第二 电感α2)的另一端分别与第二电容（c2)的正极、mos管（s)的漏极和第二二极管（d 2)的阳 极连接，所述第二二极管（D2)的阴极分别与输出滤波电容（C。）的正极和负载（?)的一端连 接，所述负载（?)的另一端分别与输出滤波电容（C。）的负极、MOS管（S)的源极和电压源 (v s)的负极连接。
2. 根据权利要求1所述的一种改进型Z源升压DC-DC变换器，其特征在于，所述电压源 (VS)、Z源阻抗网络及MOS管（S)构成升压电路，第二二极管（D 2)、输出滤波电容（C。）和负载 (?)构成输出电路。
3. 根据权利要求1所述的一种改进型Z源升压DC-DC变换器，其特征在于，所述第一电 容（CJ、第二电容（C2)和输出滤波电容（C。）均为电解电容。
【文档编号】H02M3/155GK203883673SQ201320756259
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年11月26日 优先权日:2013年11月26日
【发明者】丘东元, 杨立强, 张波, 张桂东, 黄子田 申请人:华南理工大学