一种用于新能源供电系统的高增益dc-dc变换器

专利摘要:
本实用新型公开了一种用于新能源供电系统的高增益DC‑DC变换器，包括直流输入电源、第一至第七二极管、第一至第三电感、第一至第五电容、开关管和负载。有益效果在于：本实用新型的高增益DC‑DC变换器与传统Boost升压变换器相比，具有电压增益高、开关管电压应力小、单管易于控制的特点，非常适合高升压比直流输出的可再生能源发电系统。
公开号:CN214337802U
申请号:CN202023006427.2U
申请日:2020-12-15
公开日:2021-10-01
发明作者:丁敏；夏兴宇；邹永杰；刘正堂；薛寒；郭蓓蓓；马盈媚；郭明；郭道通
申请人:Unit 63893 Of Pla；
IPC主号:H02M3-155

专利说明:
[n0001] 本实用新型涉及升压变换器领域，具体涉及一种用于新能源供电系统的高增益DC-DC变换器。
[n0002] 高增益变换器在很多场合都有广泛的应用，比如航空航天、新能源供电等领域，在新能源供电领域的太阳能、风能、燃料电池等发电装置中，由于燃料电池单体输出电压较低，无法满足逆变并网200V-600V输入电压的要求，因此高增益变换器的研究成为了热点。
[n0003] 传统Boost变换器虽然可以提高输出电压，但是电压增益小，需要在极限占空比条件下实现低压输入、高压输出，极限占空比带来的问题不仅仅是控制困难，而且开关管电压应力大。
[n0004] 现有技术中很多关于提高电路增益的方法中大多是基于耦合电感或者变压器来实现的，这种方法对磁性元器件的设计提出了很高的要求，而且开关管损耗大、变换效率低，为了获得高增益，同时兼有较大的变换效率和较小的体积，非隔离型变换器得到了广泛的研究。
[n0005] 本实用新型的目的是为了解决上述背景技术中的问题而提供一种用于新能源供电系统的高增益DC-DC变换器，该变换器与传统Boost升压变换器相比，具有电压增益高、开关管电压应力小、单管易于控制的特点，非常适合高升压比直流输出的可再生能源发电系统，详见下文阐述。
[n0006] 为实现上述目的，本实用新型提供了以下技术方案：
[n0007] 本实用新型提供的一种用于新能源供电系统的高增益DC-DC变换器，包括直流输入电源、第一至第七二极管、第一至第三电感、第一至第五电容、开关管和负载；
[n0008] 所述直流输入电源的正极与第二和第三二极管的阳极以及第二电感的一端连接，所述第二电感的另一端与第一二极管的阳极、第一电容的一端连接，所述第一电容的另一端与第二二极管的阴极、第一电感的一端连接，所述第一电感的另一端与第一二极管的阴极、开关管的源极、第二电容的一端、第五二极管的阴极、第四二极管的阳极连接，所述第四二极管的阴极与第三电容的一端、第六二极管的阳极连接，所述第六二极管的阴极与第七二极管的阳极、第四电容的一端连接，所述第四电容的另一端与第五二极管的阳极、第三电感的一端连接，所述第三电感的另一端与第二电容的另一端、第三二极管的阴极连接，所述第七二极管的阴极与第五电容的一端、负载的一端连接；
[n0009] 所述直流输入电源的阴极、第三电容的另一端、开关管的漏极、第五电容的另一端、负载的另一端共地。
[n0010] 作为本案的重要设计，该DC-DC变换器的工作方式：设开关管占空比为D，第一到第七二极管、第一到第三电感、第一到第五电容、开关管均为理想型，通过控制开关管的占空比D可以使DC-DC变换器的电压增益达到M=5/(1-D)。
[n0011] 作为本案的重要设计，该DC-DC变换器的工作方式如下：
[n0012] 模态1（t0—t1）：开关管导通，第一至第三二极管、第五至第六二极管正向偏置，第一至第三电感、第一至第二电容并联并被直流输入电源充电，第一至第三电感的电流线性上升，第四二极管反向截止，第三电容通过第六二极管向第四电容充电，第五电容给负载供电；
[n0013] 模态2（t1—t2）：开关管关断，第四二极管和第七二极管正向开通，此时直流输入电源、第一至第三电感、第一至第二电容、第四电容组成串联干路，该串联干路一方面为负载供电，另一方面为第五电容充电，第一至第三电感的电流线性下降。
[n0014] 有益效果在于：本实用新型的高增益DC-DC变换器与传统Boost升压变换器相比，具有电压增益高、开关管电压应力小、单管易于控制的特点，非常适合高升压比直流输出的可再生能源发电系统。
[n0015] 为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[n0016] 图1是本实用新型的高增益DC-DC变换器；
[n0017] 图2是本实用新型的高增益DC-DC变换器模态1等效电路图；
[n0018] 图3是本实用新型的高增益DC-DC变换器模态2等效电路图；
[n0019] 图4是本实用新型的高增益DC-DC变换器的主要工作波形图；
[n0020] 图5是本实用新型的高增益DC-DC变换器的主要仿真波形图。
[n0021] 附图标记说明：
[n0022] 直流输入电源Vin、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、电感L1、电感L2、电感L3，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5，开关管S和负载R。
[n0023] 为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。
[n0024] 如图1所示，本实用新型提供的一种用于新能源供电系统的高增益DC-DC变换器，包括直流输入电源、第一至第七二极管、第一至第三电感、第一至第五电容、开关管和负载；
[n0025] 直流输入电源的正极与第二和第三二极管的阳极以及第二电感的一端连接，第二电感的另一端与第一二极管的阳极、第一电容的一端连接，第一电容的另一端与第二二极管的阴极、第一电感的一端连接，第一电感的另一端与第一二极管的阴极、开关管的源极、第二电容的一端、第五二极管的阴极、第四二极管的阳极连接，第四二极管的阴极与第三电容的一端、第六二极管的阳极连接，第六二极管的阴极与第七二极管的阳极、第四电容的一端连接，第四电容的另一端与第五二极管的阳极、第三电感的一端连接，第三电感的另一端与第二电容的另一端、第三二极管的阴极连接，第七二极管的阴极与第五电容的一端、负载的一端连接；
[n0026] 直流输入电源的阴极、第三电容的另一端、开关管的漏极、第五电容的另一端、负载的另一端共地。
[n0027] 该DC-DC变换器的工作方式：设开关管占空比为D，第一到第七二极管、第一到第三电感、第一到第五电容、开关管均为理想型，通过控制开关管的占空比D可以使DC-DC变换器的电压增益达到M=5/(1-D)。
[n0028] 该DC-DC变换器的工作方式如下：
[n0029] 模态1（t0—t1）：开关管导通，第一至第三二极管、第五至第六二极管正向偏置，第一至第三电感、第一至第二电容并联并被直流输入电源充电，第一至第三电感的电流线性上升，第四二极管反向截止，第三电容通过第六二极管向第四电容充电，第五电容给负载供电；
[n0030] 模态2（t1—t2）：开关管关断，第四二极管和第七二极管正向开通，此时直流输入电源、第一至第三电感、第一至第二电容、第四电容组成串联干路，该串联干路一方面为负载供电，另一方面为第五电容充电，第一至第三电感的电流线性下降。
[n0031] 本实用新型提供的一种用于新能源供电系统的高增益DC-DC变换器的增益推导过程如下：
[n0032] 开关管开通时的稳态特性有：
[n0033] V_C1=V_C2=V_in
[n0034] V_L1=V_L2=V_L3=V_in
[n0035] V_C3=V_C4=V_C1+V_L1+V_in+V_L2
[n0036] 开关管关断时的稳态特性有：
[n0037] V_o=V_L1+V_L2+V_L3+〖V_C1+V_C2+V〗_C4+V_in
[n0038] 式中，D为开关管的占空比，VC1、VC2、VC3、VC4分别为第一电容、第二电容、第三电容和第四电容的电压，Vin为直流输入电源的电压，VL1、VL2、VL3分别为开关期间第一电感、第二电感和第三电感两端电压。
[n0039] 根据伏秒积平衡原理，可得出电路的稳态增益为：
[n0040] M=V_o/V_in =5/(1-D)
[n0041] 式中，M为电压增益，Vo为输出电压。
[n0042] 开关管的电压应力的大小为：
[n0043] V_S=(2V_in)/(1-D)
[n0044] 式中，VS为开关管漏源电压。
[n0045] 本实用新型提供的用于新能源供电系统的高增益DC-DC变换器的具体工作如下：
[n0046] 模态1（t0—t1）：如图2所示，开关管导通，第一二极管、第二二极管、第三二极管、第五二极管、第六二极管正向偏置，直流输入电源分别给第一电感、第二电感、第一电容、第三电感、第二电容充电，第一电感、第二电感、第一电容、第三电感、第二电容并联，第一电感、第二电感和第三电感电流线性上升，第四二极管反向截止，第三电容通过第六二极管向第四电容充电，第五电容给负载供电，图2中黑实线表示电路接通，灰色实线表示电路断路。
[n0047] 模态2（t1—t2）：如图3所示，开关管关断，第四二极管和第七二极管正向开通，此时直流输入电源、第一电感、第二电感、第一电容、第三电感、第二电容、第四电容组成串联干路，该串联干路一方面为负载供电，另一方面为第五电容充电，第一电感、第二电感和第三电感电流线性下降，图3中黑实线表示电路接通，灰色实线表示电路断路。
[n0048] 本实用新型提供的用于新能源供电系统的高增益DC-DC变换器的工作电流波形如图4所示；
[n0049] 当直流输入电源的电压设置为20V，占空比为0.6时，仿真波形如图5所示，从图5中可以看出仿真结果与理论计算值一致。
[n0050] 以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

权利要求:
Claims (1)
[0001] 1.一种用于新能源供电系统的高增益DC-DC变换器，其特征在于，包括直流输入电源、第一至第七二极管、第一至第三电感、第一至第五电容、开关管和负载；所述直流输入电源的正极与第二和第三二极管的阳极以及第二电感的一端连接，所述第二电感的另一端与第一二极管的阳极、第一电容的一端连接，所述第一电容的另一端与第二二极管的阴极、第一电感的一端连接，所述第一电感的另一端与第一二极管的阴极、开关管的源极、第二电容的一端、第五二极管的阴极、第四二极管的阳极连接，所述第四二极管的阴极与第三电容的一端、第六二极管的阳极连接，所述第六二极管的阴极与第七二极管的阳极、第四电容的一端连接，所述第四电容的另一端与第五二极管的阳极、第三电感的一端连接，所述第三电感的另一端与第二电容的另一端、第三二极管的阴极连接，所述第七二极管的阴极与第五电容的一端、负载的一端连接；所述直流输入电源的阴极、第三电容的另一端、开关管的漏极、第五电容的另一端、负载的另一端共地；该DC-DC变换器的工作方式如下：模态1，t0—t1：开关管导通，第一至第三二极管、第五至第六二极管正向偏置，第一至第三电感、第一至第二电容并联并被直流输入电源充电，第一至第三电感的电流线性上升，第四二极管反向截止，第三电容通过第六二极管向第四电容充电，第五电容给负载供电；模态2，t1—t2：开关管关断，第四二极管和第七二极管正向开通，此时直流输入电源、第一至第三电感、第一至第二电容、第四电容组成串联干路，该串联干路一方面为负载供电，另一方面为第五电容充电，第一至第三电感的电流线性下降。

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同族专利:

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公开号 | 公开日

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引用文献:

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公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

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法律状态:
2021-10-01| GR01| Patent grant|

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2021-10-01| GR01| Patent grant|

优先权:

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申请号 | 申请日 | 专利标题

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CN202023006427.2U|CN214337802U|2020-12-15|2020-12-15|一种用于新能源供电系统的高增益dc-dc变换器|CN202023006427.2U| CN214337802U|2020-12-15|2020-12-15|一种用于新能源供电系统的高增益dc-dc变换器|