本發(fā)明涉及電力電子變換器的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種基于準(zhǔn)z源橋式結(jié)構(gòu)降低開關(guān)管電流應(yīng)力的高增益直流電壓變換器。

背景技術(shù)：

面對日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題，尋找新能源來替代日益枯竭的化石能源已成為當(dāng)務(wù)之急。然而，新能源的輸出特性往往不滿足現(xiàn)有工業(yè)體系的電能質(zhì)量要求，需要經(jīng)過電能變換才能夠使用。傳統(tǒng)的z源變換器和準(zhǔn)z源變換器雖然能夠在低占空比時獲得較大的輸出電壓，但是在在負(fù)載功率較大的場合，傳統(tǒng)的z源變換器和準(zhǔn)z源變換器的電容的應(yīng)力過大，同時流經(jīng)電感的電流很大，增大了電感的磁芯和繞線難度，且開關(guān)管和二極管的電流應(yīng)力大，不利于系統(tǒng)散熱，因此限制了z源變換器和準(zhǔn)z源變換器的應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺點，提供了一種基于準(zhǔn)z源橋式結(jié)構(gòu)降低開關(guān)管電流應(yīng)力的高增益直流電壓變換器，適用于需要大功率和高增益的電力電子電路。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為：一種降低開關(guān)管電流應(yīng)力的高增益直流電壓變換器，包括電壓源、第一準(zhǔn)z源模塊、第二準(zhǔn)z源模塊、輸出模塊，所述第一準(zhǔn)z源模塊由第一電容、第二電容、第一電感、第二電感、第一開關(guān)管和第一二極管組成，所述第二準(zhǔn)z源模塊由第三電容、第四電容、第三電感、第四電感、第二開關(guān)管和第二二極管組成，所述輸出模塊由第三二極管、第五電容和負(fù)載組成；所述電壓源的正極分別與第一二極管的陽極、第二電容的負(fù)極和第四電感的一端連接，其負(fù)極分別與第二電感的一端、第三電容的負(fù)極和第二開關(guān)管的源極連接；所述第一二極管的陰極分別與第一電容的正極和第一電感的一端連接；所述第一電感的另一端分別與第二電容的正極和第一開關(guān)管的漏極連接；所述第一開關(guān)管的源極分別與第一電容的負(fù)極、第二電感的另一端、第五電容的負(fù)極和負(fù)載一端連接；所述第四電感的另一端分別與第二二極管的陽極、第三二極管的陽極和第四電容的負(fù)極連接；所述第三二極管的陰極分別與第五電容的正極和負(fù)載另一端連接；所述第二二極管的陰極分別與第三電容的正極和第三電感的一端連接；所述第三電感的另一端分別與第四電容的正極和第二開關(guān)管的漏極連接。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點與有益效果：

本發(fā)明采用兩組準(zhǔn)z源模塊，顯著降低了二極管和開關(guān)管的電流應(yīng)力，同時兩組準(zhǔn)z源模塊具有自動均流能力，提高了功率容量，電路不存在啟動沖擊問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述高增益直流電壓變換器的電路原理圖。

圖2a、圖2b分別是本發(fā)明所述高增益直流電壓變換器在第一開關(guān)管s1和第二開關(guān)管s2導(dǎo)通和關(guān)斷中兩個主要階段的等效電路圖，圖中實線表示變換器中有電流流過的部分，虛線表示變換器中無電流流過的部分。

圖3是本發(fā)明電路的仿真主要工作波形圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

參見圖1所示，本實施例所提供的高增益直流電壓變換器，包括電壓源vi、第一準(zhǔn)z源模塊、第二準(zhǔn)z源模塊、輸出模塊，所述第一準(zhǔn)z源模塊由第一電容c1、第二電容c2、第一電感l(wèi)1、第二電感l(wèi)2、第一開關(guān)管s1和第一二極管d1組成，所述第二準(zhǔn)z源模塊由第三電容c3、第四電容c4、第三電感l(wèi)3、第四電感l(wèi)4、第二開關(guān)管s2和第二二極管d2組成，所述輸出模塊由第三二極管d3、第五電容c5和負(fù)載r組成；所述電壓源vi的正極分別與第一二極管d1的陽極、第二電容c2的負(fù)極和第四電感l(wèi)4的一端連接，其負(fù)極分別與第二電感l(wèi)2的一端、第三電容c3的負(fù)極和第二開關(guān)管s2的源極連接；所述第一二極管d1的陰極分別與第一電容c1的正極和第一電感l(wèi)1的一端連接；所述第一電感l(wèi)1的另一端分別與第二電容c2的正極和第一開關(guān)管s1的漏極連接；所述第一開關(guān)管s1的源極分別與第一電容c1的負(fù)極、第二電感l(wèi)2的另一端、第五電容c5的負(fù)極和負(fù)載r一端連接；所述第四電感l(wèi)4的另一端分別與第二二極管d2的陽極、第三二極管d3的陽極和第四電容c4的負(fù)極連接；所述第三二極管d3的陰極分別與第五電容c5的正極和負(fù)載r另一端連接；所述第二二極管d2的陰極分別與第三電容c3的正極和第三電感l(wèi)3的一端連接；所述第三電感l(wèi)3的另一端分別與第四電容c4的正極和第二開關(guān)管s2的漏極連接。

此外，上述高增益直流電壓變換器的輸入端可以串聯(lián)或者并聯(lián)濾波電路用來改善電路的特性。

第一開關(guān)管s1和第二開關(guān)管s2導(dǎo)通時，第一電容c1對第一電感l(wèi)1充電；電壓源vi和第二電容c2對第二電感l(wèi)2充電；第三電容c3對第三電感l(wèi)3充電；電壓源vi和第四電容c4對第四電感l(wèi)4充電；第五電容c5為負(fù)載r供電。第一開關(guān)管s1和第二開關(guān)管s2關(guān)斷時，第一電感l(wèi)1通過第一二極管d1對第二電容c2充電；電壓源vi和第二電感l(wèi)2通過第一二極管d1對第一電容c1充電；第三電感l(wèi)3通過第二二極管d2對第四電容c4充電；電壓源vi和第四電感l(wèi)4通過第二二極管d2對第三電容c3充電；電壓源vi、第二電感l(wèi)2、第四電感l(wèi)4通過第三二極管d3對第五電容c5充電，同時給負(fù)載r供電。本發(fā)明顯著降低了二極管和開關(guān)管的電流應(yīng)力，提高了z源變換器的功率容量。

參見圖2a、圖2b所示，給出了第一開關(guān)管s1和第二開關(guān)管s2導(dǎo)通和關(guān)斷中兩個主要階段的等效電路圖。結(jié)合圖2a、圖2b，本實施例上述的高增益直流電壓變換器的工作過程如下：

階段1，如圖2a：第一開關(guān)管s1和第二開關(guān)管s2導(dǎo)通，此時第一二極管d1、第二二極管d2和第三二極管d3關(guān)斷；電路中形成5個回路，分別是：第一電容c1對第一電感l(wèi)1充電；電壓源vi和第二電容c2對第二電感l(wèi)2充電；第三電容c3對第三電感l(wèi)3充電；電壓源vi和第四電容c4對第四電感l(wèi)4充電；第五電容c5為負(fù)載r供電。

階段2，如圖2b：第一開關(guān)管s1和第二開關(guān)管s2關(guān)斷，此時第一二極管d1、第二二極管d2和第三二極管d3導(dǎo)通；電路中形成5個回路，分別是：第一電感l(wèi)1通過第一二極管d1對第二電容c2充電；電壓源vi和第二電感l(wèi)2通過第一二極管d1對第一電容c1充電；第三電感l(wèi)3通過第二二極管d2對第四電容c4充電；電壓源vi和第四電感l(wèi)4通過第二二極管d2對第三電容c3充電；電壓源vi、第二電感l(wèi)2、第四電感l(wèi)4通過第三二極管d3對第五電容c5充電，同時給負(fù)載r供電。

綜上情況，一個開關(guān)周期內(nèi)，設(shè)開關(guān)管占空比為d，設(shè)第一電感l(wèi)1、第二電感l(wèi)2、第三電感l(wèi)3、第四電感l(wèi)4、第一電容c1、第二電容c2、第三電容c3、第四電容c4的電壓分別為vl1、vl2、vl3、vl4、vc1、vc2、vc3、vc4，設(shè)輸出電壓為vo，得出以下電壓增益的推導(dǎo)過程。

第一開關(guān)管s1和第二開關(guān)管s2導(dǎo)通期間，對應(yīng)階段1所述的工作情形，因此有如下公式：

vl1＝vc1(1)

vl2＝vc2+vi(2)

vl3＝vc3(3)

vl4＝vc4+vi(4)

第一開關(guān)管s1和第二開關(guān)管s2關(guān)斷期間，對應(yīng)階段2所述的工作情形，因此有如下公式：

vl1＝-vc2(5)

vl2＝vi-vc1(6)

vl3＝-vc4(7)

vl4＝vi-vc3(8)

vo＝vc1+vc3-vi(9)

由以上分析，根據(jù)電感的伏秒特性，有，

對于第一電感l(wèi)1：

vc1d+(-vc2)(1-d)＝0(10)

對于第二電感l(wèi)2：

(vc2+vi)d+(vi-vc1)(1-d)＝0(11)

對于第三電感l(wèi)3：

vc3d+(-vc4)(1-d)＝0(12)

對于第四電感l(wèi)4：

(vc4+vi)d+(vi-vc3)(1-d)＝0(13)

聯(lián)立式子(9)-(13)，可得到該電路的輸出電壓表達(dá)式為：

在一個開關(guān)周期中，設(shè)周期為t，設(shè)第一電感l(wèi)1、第二電感l(wèi)2、第三電感l(wèi)3、第四電感l(wèi)4的電流的平均值分別為設(shè)第一電容c1和第三電容c3在開關(guān)關(guān)斷期間的電流分別為ic1、ic3。根據(jù)電容的安秒特性，有以下公式，

對于第一電容c1：

對于第二電容c2：

對于第三電容c3：

對于第四電容c4：

第一開關(guān)管s1和第二開關(guān)管s2導(dǎo)通時，設(shè)電源vi的耗能為wion，則有：

第一開關(guān)管s1和第二開關(guān)管s2斷開時，設(shè)電源vi的耗能為wioff，根據(jù)基爾霍夫電流定律，則有：

一個開關(guān)周期內(nèi)，設(shè)電源的輸入功率為pi，負(fù)載的輸出功率為po，電路的效率為η，則有：

聯(lián)立式子(15)-(22)，可得到各個電感電流的平均值分別為：

第一開關(guān)管s1和第二開關(guān)管s2導(dǎo)通時，若不考慮電流紋波影響，則開關(guān)管的電流應(yīng)力均為：

由式子(14)可知，本發(fā)明所述的一種基于準(zhǔn)z源橋式結(jié)構(gòu)降低開關(guān)管電流應(yīng)力的高增益直流電壓變換器的電壓增益為與傳統(tǒng)的z源變換器和準(zhǔn)z源變換器的電壓增益一致，在占空比d小于0.5的情況下，能實現(xiàn)較大的電壓增益。同時，由式子(26)可知，本發(fā)明的開關(guān)管的電流應(yīng)力為而傳統(tǒng)的z源變換器和準(zhǔn)z源變換器的開關(guān)管的電流應(yīng)力為故在相同的輸出功率和效率的條件下，本發(fā)明能顯著地減低一半的開關(guān)管的電流應(yīng)力，且兩開關(guān)管的電流應(yīng)力均相等，實現(xiàn)了自動均流。

設(shè)開關(guān)管的最大允許電流應(yīng)力為isw-max，由式子(26)可得，本發(fā)明的功率容量為：

po＝ηviisw-max(21)

而傳統(tǒng)的z源和準(zhǔn)z源變換器的功率容量為：

由式子(21)和式子(22)可知，在輸入電壓vi相同，效率η相同，開關(guān)管具有相同的電流應(yīng)力上限isw-max時，本發(fā)明的功率容量為傳統(tǒng)z源變換器的兩倍。

在電壓源vi＝1v，占空比d＝0.4，輸出功率po＝2.5w的情況下，由式子(14)、(25)和(26)得到的輸出電壓的理論分析結(jié)果為vo＝5v，第二電感電流的平均值的理論分析結(jié)果為開關(guān)管的電流應(yīng)力的理論分析結(jié)果為2.5a。圖3所示對應(yīng)參數(shù)下的仿真波形，可以看出輸出電壓的仿真結(jié)果也接近5v，電感電流的平均值的仿真結(jié)果也接近1.5a，開關(guān)管的電流應(yīng)力的仿真結(jié)果接近2.5a，從而有效驗證了理論分析的正確性?？梢姡景l(fā)明能夠降低開關(guān)管和二極管的電流應(yīng)力，擴(kuò)大變換器的功率容量，具有較高的應(yīng)用價值。

以上所述實施例只為本發(fā)明之較佳實施例，并非以此限制本發(fā)明的實施范圍，故凡依本發(fā)明之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。