基于新型Boost开关电容储能结构的耦合电感高增益DC/DC变换器

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种基于新型Boost开关电容储能结构的耦合电感高增益DC/DC变换器。

背景技术

开关电容变换器利用开关电容并联充电、串联放电的原理可实现高电压增益，相对于传统开关电源，其不含磁性元器件，因此可大幅度减小开关电源的体积，提高功率密度，并大幅度减轻EMI问题。

传统的开关电容储能单元有Boost型开关电容储能单元和Buck-Boost型开关电容储能单元。其利用储能电感对开关电容并联充电，再将开关电容串联对负载放电，可将Boost、Buck-Boost型变换器的提升两倍或以上。因其储能单元的存在，利用电感对开关电容充电，可以控制通过控制电感的充电时间，以实现输出电压连续可调。但是，若要继续提高升压比，则需提高开关管占空比，使电感在导通期间储存更多的能量，然而过大的占空比会导致开关管导通损耗高、产生二极管反向恢复问题。在实现更高的电压增益时，依然需要叠加较多的开关电容单元，使用较多的开关管和二极管器件。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于新型Boost开关电容储能结构的耦合电感高增益(Switched Capacitor and Coupled Inductor High Gain,SCCIHG)DC/DC变换器，该变换器能够在使用较少器件的情况下，开关管低占空比运行即可获得期望的高增益输出电压。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种基于新型Boost开关电容储能结构的耦合电感高增益DC/DC变换器，包括：输入电源V

所述第一开关管S

所述输入电源V

本发明实施例的一种基于新型Boost开关电容储能结构的耦合电感高增益DC/DC变换器，能够在使用较少器件的情况下，开关管低占空比运行即可获得期望的高增益输出电压，即在提高开关电容变换器的电压增益的同时简化了变换器的结构；同时，在同等电压增益比的情况下，开关器件承受的电压应力更低；还具有很强的可扩展性，能够调节变压器匝比和Boost储能单元结构以满足不同的电压增益比情况。

另外，根据本发明上述实施例的一种基于新型Boost开关电容储能结构的耦合电感高增益DC/DC变换器还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，第一开关电容C

进一步地，在本发明的一个实施例中，当所述第一开关管S

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述耦合电感器包括匝数比为N

进一步地，在本发明的一个实施例中，根据所述耦合电感器的副边绕组电流是否连续，将所述高增益DC/DC变换器分为电流连续模式CCM(Constant Current Mode，CCM)和电流断续模式DCM(Discontinuous Current Mode,DCM)，其中，在一个预设稳定周期内，当所述耦合电感器的副边绕组电流始终连续时，则所述高增益DC/DC变换器运行于所述电流连续模式CCM；当所述耦合电感器的副边绕组电流在所述第一开关管S

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电流连续模式CCM时存在五种工作模态，具体为：

第一工作模态：在t

第二工作模态：在t

第三工作模态：在t

第四工作模态：在t

第五工作模态：在t

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一种电流断续模式DCM-I存在五种工作模态，具体为：第一工作模态：在t

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第二种电流断续模式DCM-II存在五种工作模态，具体为：第一工作模态：在t

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的基于新型Boost开关电容储能结构的耦合电感高增益DC/DC变换器的拓扑结构图；

图2是本发明一个实施例的新型开关电容储能模块的拓扑结构；

图3是本发明一个实施例的基于多倍Boost开关电容储能单元的DC/DC变换器的开关管导通状态和关断状态示意图，其中，(a)为开关管导通状态，(b)为开关管关断状态；

图4是本发明一个实施例的基于新型Boost开关电容储能结构的耦合电感高增益DC/DC变换器在电流连续模式CCM下的主要波形变化图；

图5是本发明一个实施例的基于新型Boost开关电容储能结构的耦合电感高增益DC/DC变换器在电流连续模式CCM下模态6电流环路示意图，其中，(a)为t

图6是本发明一个实施例的基于新型Boost开关电容储能结构的耦合电感高增益DC/DC变换器在第一种电流断续模式DCM-I下的主要波形变化图；

图7是本发明一个实施例的基于新型Boost开关电容储能结构的耦合电感高增益DC/DC变换器在第一种电流断续模式DCM-I下模态5电流环路示意图；

图8是本发明一个实施例的基于新型Boost开关电容储能结构的耦合电感高增益DC/DC变换器在第二种电流断续模式DCM-II下的主要波形变化图；

图9是本发明一个实施例的基于新型Boost开关电容储能结构的耦合电感高增益DC/DC变换器在第二种电流断续模式DCM-II下模态3电流环路示意图；

图10是本发明一个实施例的基于新型Boost开关电容储能结构的耦合电感高增益DC/DC变换器开环输入输出电压电流实验波形变化图；

图11是在电流连续模式CCM下，基于新型Boost开关电容储能结构的耦合电感高增益DC/DC变换器的耦合电感原副边电压电流实验波形变化图，其中，(a)为耦合电感器的原、副边电流波形变化图，(b)为耦合电感器的原、副边电压波形变化图；

图12是在电流连续模式CCM下，基于新型Boost开关电容储能结构的耦合电感高增益DC/DC变换器主要电压电流实验波形变化图，其中，(a)为耦合电感器的原、副边电流波形变化图，(b)为耦合电感器的原、副边电压波形变化图；

图13是在电流连续模式CCM下，基于新型Boost开关电容储能结构的耦合电感高增益DC/DC变换器二极管电压实验波形变化图，其中，(a)为驱动信号和D

图14是第一种电流断续模式DCM-I下，基于新型Boost开关电容储能结构的耦合电感高增益DC/DC变换器主要实验波形变化图，其中，(a)为耦合电感器的原、副边电流波形变化图，(b)为D

图15第二种电流断续模式DCM-II下，基于新型Boost开关电容储能结构的耦合电感高增益DC/DC变换器主要实验波形变化图，其中，(a)为耦合电感器的原、副边电流波形变化图，(b)为D

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于新型Boost开关电容储能结构的耦合电感高增益DC/DC变换器。

图1是本发明一个实施例的基于新型Boost开关电容储能结构的耦合电感高增益DC/DC变换器的拓扑结构图。

如图1所示，该装置10包括：输入电源V

其中，第一开关管S

第一开关电容C

具体地，如图2所示，本发明提出的新型Boost开关电容储能模块，使其在电感储能阶段，增加电感的充电电压，从而在放电阶段为开关电容提供的能量增加，最终使得升压比大幅度提高。在开关管导通期间，输入电源V

进一步地，如图3所示，以最简单的新型Boost储能模块的开关电容变换器结构为例，通过简化分析可以看出其升压比能够得到较大程度的提升。在不考虑其暂态过程下，其运行模态能够简化为开关管导通和开关管关断两个主要模态。

为了满足光伏发电时高升压需求，本发明在提出多倍Boost开关电容储能单元基础上，结合耦合电感，其中，耦合电感器包括匝数比为N

具体地，本发明提出的高增益DC/DC变换器的具体连接关系为：输入电源V

在本发明提出的高增益DC/DC变换器中，当输入电压为25～40V，开关管S1，S2同时导通关断。当第一开关管S

进一步地，本发明提出的高增益DC/DC变换器，按照耦合电感副边电流是否连续，能够分为电流连续模式CCM和电流断续模式DCM。在一个稳定周期内，当耦合电感器的副边绕组电流始终连续时，则高增益DC/DC变换器运行于电流连续模式CCM；当耦合电感器的副边绕组电流在第一开关管S

为了简化电路分析，本发明可做如下假设：

(1)所有开关器件是理想的，忽略其寄生二极管和电容；

(2)所有功率器件都是理想的，忽略导通电阻和正向导通电压；

(3)耦合电感器的匝数比1：n

如图4所示，给出电流连续模式CCM下，所提出新型基于Boost开关电容储能单元和耦合电感的高增益DC/DC变换器的包含暂态的主要波形。其中，v

具体地，如图5(a)所示，第一工作模态：在[t

如图5(b)所示，第二工作模态：在[t

如图5(c)所示，第三工作模态：在[t

如图5(d)所示，第四工作模态：在[t

如图5(e)所示，第五工作模态：在[t

进一步地，当减小本发明提出的新型基于Boost开关电容储能单元和耦合电感的高增益DC/DC变换器的电感值，其能运行于第一种电流断续模式DCM-Ⅰ，耦合电感器的副边绕组电流在开关导通时连续，关断时断续，使第三二极管D

如图6所示，第一种电流断续模式DCM-I存在五种工作模态，具体为：

第一工作模态：在[t

第二工作模态：在[t

第三工作模态：在[t

第四工作模态：在[t

第五工作模态：如图7所示，在[t

进一步地，当本发明提出的新型基于Boost开关电容储能单元和耦合电感的高增益DC/DC变换器负载较轻时，其能运行于第二种电流断续模式DCM-II，耦合电感副边电流在开关关断时连续，导通时断续，能够使输出输出二极管D

如图8所示，第二种电流断续模式DCM-II存在五种工作模态，具体为：

第一工作模态：在[t

第二工作模态：在[t

第三工作模态：如图9所示，在[t

第四工作模态：在[t

第五工作模态：在[t

在理想情况下，为了简化电压增益的推导，忽略耦合电感漏感、寄生电容的影响和暂态的影响。在第一开关管S

式中，

励磁电感L

联立公式(1)至公式(3)，第一开关电容C

式中，D为占空比，T为一个周期时间。

在开关关断期间，原边绕组N

式中，

同样，第三开关电容C

式中，

在开关开通期间，耦合绕组副边电感串联电源V

式中，V

将公式(4)、公式(7)和公式(8)带入公式(9)，得到输出电压增益M为

式中，M为电压增益，n为变压器匝比。

下面搭建一台样机验证本发明提出的基于多倍Boost储能结构的耦合电感和开关电容高增益DC/DC变换器进行验证。

首先，样机指标如下：

(1)输入电压：25-40Vdc；

(2)输出电压：400Vdc；

(3)输出功率：额定功率200W；

(4)工作频率：100KHz；

(5)效率：不低于90％；

接下来，对电流连续模式CCM进行验证：

如图10所示，为输出电压电流以及驱动信号实验波形，可见在输入电压为25V的时候输出电压达到380V，电压增益为15.2，输出电流约为0.523A。在占空比为0.35的时候，输出功率为200W，且输出电压纹波较小，满足设计指标要求。

如图11所示，给出了第一开关管S

如图12所示，分别给出了驱动信号和开关管漏源极电压和第一开关电容C

如图13所示，分别为第一二极管D

接下来，对第一种电流断续模式DCM-I进行验证：

当基于多倍Boost储能结构的耦合电感和开关电容高增益DC/DC变换器运行于DCM-I时，耦合电感器的副边电流在开关导通时连续，关断时断续，使第三二极管D

接下来，对第一种电流断续模式DCM-II进行验证：

当基于多倍Boost储能结构的耦合电感和开关电容高增益DC/DC变换器运行于DCM-II时，耦合电感器的副边电流在开关关断时连续，导通时断续，能够使输出输出二极管D

综上，本发明实施例提出的基于新型Boost开关电容储能结构的耦合电感高增益DC/DC变换器，能够在使用较少器件的情况下，开关管低占空比运行即可获得期望的高增益输出电压，即在提高开关电容变换器的电压增益的同时简化了变换器的结构；同时，在同等电压增益比的情况下，开关器件承受的电压应力更低；还具有很强的可扩展性，能够调节变压器匝比和Boost储能单元结构以满足不同的电压增益比情况。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。