基于耦合电感倍压单元的高增益X源直流升压变换器及控制方法

基于耦合电感倍压单元的高增益x源直流升压变换器及控制方法
技术领域
1.本发明属于电力电子变换器技术领域，特别是涉及基于耦合电感倍压单元的高增益x源直流升压变换器及控制方法。


背景技术：

2.升压变换器广泛应用于分布式电源系统的前级变换器，实现升压功能。传统的升压变换器电路拓扑为boost电路，理论上boost电路的电压增益随着占空比的增加而增加，然而考虑到实际电路中的寄生等效串联阻抗，boost电路的实际增益并不总是随着占空比的增加而变大，因此其升压能力十分有限，并不适用于高增益直流功率变换场合，并且其开关电压与输出电压相同，使低导通电阻的功率开关无法使用，导致系统成本和损耗的增加。


技术实现要素：

3.本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了基于耦合电感倍压单元的高增益x源直流升压变换器及控制方法。
4.本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出基于耦合电感倍压单元的高增益x源直流升压变换器，所述变换器具体包括：直流电压源v
in
、功率开关sw1、电容c1、二极管d1、耦合电感绕组n2、耦合电感绕组n1、输出二极管do、功率开关sw2、输出电容co、电阻r、电容c2、二极管d2、耦合电感绕组n4和耦合电感绕组n3；
5.直流电压源v
in
的正极与功率开关sw1的漏极、电容c1的阴极、二极管d1的正极连接；电容c1的正极与和耦合电感绕组n2的正极连接；二极管d1的阴极与和耦合电感绕组n1的正极连接；耦合电感绕组n1的阴极、耦合电感绕组n2的阴极、输出二极管do的正极以及功率开关sw2的漏极相连接；输出二极管do的阴极与输出电容co的正极和电阻r的一端相连；输出电容co的阴极、电阻r的另一端、功率开关sw1的源极、电容c2的阴极、二极管d2的正极相连；电容c2的正极与耦合电感绕组n4的正极相连，二极管d2的阴极与耦合电感绕组n3的正极相连；耦合电感绕组n3的阴极、耦合电感绕组n4的阴极、直流电压源v
in
的阴极以及功率开关sw2的源极相连接。
6.本发明提出一种基于耦合电感倍压单元的高增益x源直流升压变换器的控制方法，基于耦合电感倍压单元的高增益x源直流升压变换器控制信号v
gs
同时控制功率开关sw1和sw2的通断；整个控制过程分为4个开关模态，分别为开关模态1、开关模态2、开关模态3和开关模态4。
7.进一步地，开关模态1，对应时间段[t1,t2]，在此阶段，功率开关管导通，直流电压v
in
通过二极管d1和功率开关管sw2给耦合电感绕组n1充电，由于磁感应原理，耦合电感绕组n1和n2通过二极管d2给电容c1充电；与此同时，直流电压通过二极管d2和功率开关管sw1给耦合电感绕组n3充电，由于磁感应原理，耦合电感绕组n3和n4通过二极管d2给电容c2充电；输出二极管do反偏，输出电容co给负载电阻r独立供电，模态1结束。
[0008]
进一步地，开关模态2，对应时间段[t2,t3]，在此阶段，功率开关管sw1和sw2关断，直流电压v
in
分别给功率开关sw1和sw2的寄生电容和两个耦合电感绕组n1、n2、n3、n4充电，模态2结束。
[0009]
进一步地，开关模态3，对应时间段[t3,t4]，功率开关管sw1和sw2保持关断，二极管d1和d2关断，直流电压v
in
、电容c1和c2、两个耦合电感绕组n2和n4通过输出二极管do给负载电阻r和输出电容co供电，当两个耦合电感绕组电流i
n1
、i
n3
降到最低时，模态3结束。
[0010]
进一步地，开关模态4，对应时间段[t4,t5]或[t0,t1]，功率开关管sw1和sw2开通，直流电压v
in
、电容c1和c2、两个耦合电感绕组n2和n4通过输出二极管do给负载电阻r和输出电容co供电，与此同时，功率开关sw1和sw2的寄生电容放电，当能量释放完毕，模态4结束。
[0011]
进一步地，根据上述模态控制可得增益表达式为：
[0012][0013]
其中d为功率开关管sw1和sw2导通占空比，其工作范围为(0,1)，两个耦合电感的匝数比分别为n1＝n2:n1和n2＝n4:n3。
附图说明
[0014]
图1为一种基于耦合电感倍压单元的高增益x源直流升压变换器电路图；
[0015]
图2为基于耦合电感倍压单元的高增益x源直流升压变换器的主要波形图；
[0016]
图3为各开关模态等效电路图；其中(a)为基于耦合电感倍压单元的高增益x源直流升压变换器开关模态1的等效电路图；(b)为基于耦合电感倍压单元的高增益x源直流升压变换器开关模态2的等效电路图；(c)为基于耦合电感倍压单元的高增益x源直流升压变换器开关模态3的等效电路图；(d)为基于耦合电感倍压单元的高增益x源直流升压变换器开关模态4的等效电路图；
[0017]
图4为当输入电压v
in
＝50v，输出电压vo＝250v时的实验波形图。
[0018]
图中标号说明：v
in
为直流电压源，sw1为第一功率开关管，sw2为第二功率开关管，d1为第一倍压二极管，d2为第二倍压二极管，c1为第一倍压电容，c2为第二倍压电容，do为输出二极管，co为输出电容，r为负载电阻，n1、n2为耦合电感的两个绕组，n3、n4为另一耦合电感的两个绕组，这两个耦合电感的匝数比分别为n1＝n2:n1和n2＝n4:n3。
具体实施方式
[0019]
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0020]
本发明提出一种基于耦合电感倍压单元的高增益x源直流升压变换器，属于电力电子变换器的技术领域。所述基于耦合电感倍压单元的高增益x源直流升压变换器包括直流电压源、两个耦合电感倍压单元和x源结构。每个耦合电感倍压单元包括一个耦合电感、一个二极管和一个电容，x源结构由两个交叉的开关组成。所述基于耦合电感倍压单元的高增益x源直流升压变换器大大提升了电压增益，并且实现了连续的输入电流和共地性能。
[0021]
结合图1，本发明具体提出基于耦合电感倍压单元的高增益x源直流升压变换器，所述变换器具体包括：直流电压源v
in
、功率开关sw1、电容c1、二极管d1、耦合电感绕组n2、耦合电感绕组n1、输出二极管do、功率开关sw2、输出电容co、电阻r、电容c2、二极管d2、耦合电感绕组n4和耦合电感绕组n3；
[0022]
直流电压源v
in
的正极与功率开关sw1的漏极、电容c1的阴极、二极管d1的正极连接；电容c1的正极与和耦合电感绕组n2的正极连接；二极管d1的阴极与和耦合电感绕组n1的正极连接；耦合电感绕组n1的阴极、耦合电感绕组n2的阴极、输出二极管do的正极以及功率开关sw2的漏极相连接；输出二极管do的阴极与输出电容co的正极和电阻r的一端相连；输出电容co的阴极、电阻r的另一端、功率开关sw1的源极、电容c2的阴极、二极管d2的正极相连；电容c2的正极与耦合电感绕组n4的正极相连，二极管d2的阴极与耦合电感绕组n3的正极相连；耦合电感绕组n3的阴极、耦合电感绕组n4的阴极、直流电压源v
in
的阴极以及功率开关sw2的源极相连接。
[0023]
本发明的工作原理及工作过程如下：
[0024]
本发明提出一种基于耦合电感倍压单元的高增益x源直流升压变换器的控制方法，基于耦合电感倍压单元的高增益x源直流升压变换器控制信号v
gs
同时控制功率开关sw1和sw2的通断；整个控制过程分为4个开关模态，分别为开关模态1、开关模态2、开关模态3和开关模态4。两个耦合电感的绕组电流i
n1
、i
n2
、i
n3
、i
n4
，二极管d1的电压v
d1
，二极管d2的电压v
d2
，输出二极管do的电压v
do
，功率开关sw1、sw2的电压v
sw1
、v
sw2
的波形如图2所示。整个控制过程具体描述如下：
[0025]
开关模态1，对应图2中的时间段[t1,t2]，等效电路如图3(a)所示，在此阶段，功率开关管导通，直流电压v
in
通过二极管d1和功率开关管sw2给耦合电感绕组n1充电，由于磁感应原理，耦合电感绕组n1和n2通过二极管d2给电容c1充电；与此同时，直流电压通过二极管d2和功率开关管sw1给耦合电感绕组n3充电，由于磁感应原理，耦合电感绕组n3和n4通过二极管d2给电容c2充电；输出二极管do反偏，输出电容co给负载电阻r独立供电，模态1结束。
[0026]
开关模态2，对应图2中的时间段[t2,t3]，等效电路如图3(b)所示，在此阶段，功率开关管sw1和sw2关断，直流电压v
in
分别给功率开关sw1和sw2的寄生电容和两个耦合电感绕组n1、n2、n3、n4充电，模态2结束。
[0027]
开关模态3，对应图2中的时间段[t3,t4]，等效电路如图3(c)所示，功率开关管sw1和sw2保持关断，二极管d1和d2关断，直流电压v
in
、电容c1和c2、两个耦合电感绕组n2和n4通过输出二极管do给负载电阻r和输出电容co供电，当两个耦合电感绕组电流i
n1
、i
n3
降到最低时，模态3结束。
[0028]
开关模态4，对应图2中的时间段[t4,t5]或[t0,t1]，等效电路如图3(d)所示，功率开关管sw1和sw2开通，直流电压v
in
、电容c1和c2、两个耦合电感绕组n2和n4通过输出二极管do给负载电阻r和输出电容co供电，与此同时，功率开关sw1和sw2的寄生电容放电，当能量释放完毕，模态4结束。
[0029]
根据上述模态控制可得增益表达式为：
[0030][0031]
其中d为功率开关管sw1和sw2导通占空比，其工作范围为(0,1)，两个耦合电感的匝
数比分别为n1＝n2:n1和n2＝n4:n3。
[0032]
下面通过具体实验的数据说明采用本发明结构的有益效果：
[0033]
如图4所示，输入电压v
in
＝50v，输出电压vo＝250v，n1＝n2＝1.5，d＝0.5,负载r＝250ω。图4(a)为输出电容电压约250v、电容c1电压约25v和电容c2电压约25v。图4(b)为输出二极管电压峰值约300v、二极管d1电压峰值约50v和二极管d2电压峰值约50v。图4(c)为输入电流、耦合电感绕组n1电流和耦合电感绕组n2电流。图4(d)为功率开关sw1和sw2的电压，均为150v。从图中可以看出，输入电流是连续的，且拥有较高的输出增益，并且功率开关电压较低，低于输出电压。
[0034]
以上对本发明所提出的基于耦合电感倍压单元的高增益x源直流升压变换器及控制方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。