[發(fā)明專利]一種集成開關(guān)電容與耦合電感的準(zhǔn)Z源DC-DC變換器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110934289.4
• 申請日: 2021-08-16
• 公開（公告）號: CN113904540A
• 公開（公告）日: 2022-01-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張民;王鳳蓮;曹益暢;周明珠;韋正怡;薛鵬飛;葉睿明;趙振偉;袁成功
• 申請（專利權(quán)）人: 青島理工大學(xué)
• 主分類號: H02M3/07
• 分類號: H02M3/07;H02M1/32
• 代理公司: 青島高曉專利事務(wù)所(普通合伙) 37104
• 代理人: 黃曉敏

本發(fā)明屬于DC?DC變換設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種集成開關(guān)電容與耦合電感的準(zhǔn)Z源DC?DC變換器，包括直流電源、耦合電感單元、準(zhǔn)Z源模塊、開關(guān)電容模塊和開關(guān)模塊，耦合電感模塊具有相互耦合的繞組，通過改變耦合繞組的匝數(shù)比，實現(xiàn)輸出電壓對所述直流電源電壓的升壓變換，可以有效避免出現(xiàn)極限占空比的情況，使用較小的占空比實現(xiàn)高輸出電壓的轉(zhuǎn)換功能，開關(guān)電容模塊可以通過并聯(lián)充電串聯(lián)放電結(jié)構(gòu)提高電壓增益，降低功率損耗，提高電路效率；其結(jié)構(gòu)整體設(shè)計合理，使用安全，操作簡單，具有較大的應(yīng)用潛力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于DC-DC變換設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種集成開關(guān)電容與耦合電感的準(zhǔn)Z源DC-DC變換器。

背景技術(shù)

近年來，為解決生態(tài)環(huán)境保護(hù)和不可再生能源危機問題，利用可再生和清潔能源組成分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展迅猛。其中以光伏電池、燃料電池、風(fēng)力發(fā)電等為甚，在實際的應(yīng)用中，這些電能轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)都必須具有效率高、升壓增益高等特點，但是由于能源轉(zhuǎn)換過程中單個模塊的升壓能力太低，無法得到較高的輸出電壓。例如光伏電源便是應(yīng)用較為廣泛的清潔能源之一，但是由于單塊光伏板的輸出電壓較低(18-56V)，不能為后級的逆變并網(wǎng)裝置提供足夠的電壓，解決方法之一就是將光伏板串并聯(lián)使用，以提高電壓等級和功率等級，但是這樣會使系統(tǒng)的故障率提高，一塊光伏板故障會導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法正常運行。

所以研究如何利用一個獨立的模塊得到穩(wěn)定的高增益輸出電壓，成為了一個亟待解決的問題。在現(xiàn)有的研究中，傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)例如Boost、Buck-Boost、Sepic等，結(jié)構(gòu)簡單且易于控制，但是這些拓?fù)錈o法達(dá)到較高、較理想的電壓增益和較高的效率，要達(dá)到升壓目的需要電路長時間工作在極限占空比的情況下，這是難以實現(xiàn)的。針對該問題可以通過多級電路進(jìn)行級聯(lián)，在較小的直通占空比情況下，獲得較高的電壓增益。但這樣增加了電路中元器件的數(shù)量，提高了電路的復(fù)雜程度、增加了設(shè)計成本、降低了工作效率。隨著近年來的發(fā)展，出現(xiàn)了一些加入開關(guān)電感、耦合電感等模塊實現(xiàn)高升壓能力的拓?fù)洌朔N類型的拓?fù)溆捎诼└械拇嬖诤蛯嶋H場合大功率的要求，會出現(xiàn)開關(guān)管等器件的電壓應(yīng)力大等問題，而高壓大功率的電力電子器件價格昂貴，這樣無疑會使整個拓?fù)涞闹谱鞒杀敬蠓仍黾印Ｒ虼耍瑢ふ乙环N在較低直通占空比下能夠獲得較高的升壓增益且結(jié)構(gòu)簡單、工作效率高的DC-DC變換電路已經(jīng)成為該領(lǐng)域的研究熱點。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有研究情況所存在的上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明設(shè)計提供一種集成開關(guān)電容與耦合電感的準(zhǔn)Z源DC-DC變換器，其在直通占空比較小的條件下，能夠獲得較高的電壓增益，同時電路結(jié)構(gòu)中使用器件相對較少、工作效率高、故障率低、實際應(yīng)用也行之有效。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述集成開關(guān)電容與耦合電感的準(zhǔn)Z源DC-DC變換器，包括直流電源、準(zhǔn)Z源模塊、耦合電感模塊、開關(guān)電容模塊和切換模塊，直流電源與準(zhǔn)Z源模塊相連，準(zhǔn)Z源模塊的第一電容、第二電容、第一二極管與切換模塊形成開關(guān)管箝位回路，減少開關(guān)管上電壓尖峰；耦合電感模塊由兩個互相耦合良好的第一耦合電感和第二耦合電感組成，兩個耦合電感的匝比為1:n，可以在升壓因子中注入耦合電感匝比影響因子，從而有效避免極限占空比情況，通過調(diào)整占空比的大小以及耦合繞組的匝比，即可實現(xiàn)較低直通占空比下輸出電壓增益的變化；開關(guān)電容模塊的輸入端與第二耦合電感相連，輸出端與二極管陽極相連，二極管陰極并聯(lián)有電容器和負(fù)載，用于提高電壓增益，且由于電容器的低ESR特點，可以降低拓?fù)涔β蕮p耗，提高電路效率；開關(guān)切換模塊通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通或截止進(jìn)行電路工作狀態(tài)的切換。

進(jìn)一步的，所述準(zhǔn)Z源模塊由輸入電感、第一二極管、第一電容和第二電容構(gòu)成：輸入電感的一端連接直流電源的正極，另一端分別與第一二極管的陽極和第二電容的負(fù)極連接；第一二極管的陰極分別與第一耦合電感的同名端和第一電容的正極連接，陽極與第二電容的負(fù)極連接；第一電容的正極與第一耦合電感的同名端連接，負(fù)極接地；第二電容的正極分別與第一耦合電感的異名端、第二耦合電感的同名端連接。