申请/专利权人：华南理工大学;东莞市石龙富华电子有限公司

申请日：2018-06-30

公开（公告）日：2024-04-26

公开（公告）号：CN109756105B

主分类号：H02M3/07

分类号：H02M3/07;H02M3/156

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.26#授权;2019.06.07#实质审查的生效;2019.05.14#公开

摘要：本发明提供一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路，包括直流输入电源Vin、第一电感（L1）、第二电感（L2）、第一电容（C1）、第二电容（C2）、第三电容（C3）、第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第三二极管（D3）、第四二极管（D4）、第一开关管（S1）、第二开关管（S2）、输出电容（Cout）和负载。本发明相比于Boost变换器、传统准Z源变换器等具有较高的电压增益和较低的电容、开关和二极管电压应力并且输入输出共地，适用于非隔离型高增益直流电压变换的场合。

主权项：1.一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路，其特征在于包括直流输入电源Vin、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一开关管S1、第二开关管S2、输出电容Cout和负载；所述的直流输入电源Vin的正极和第一二极管D1的阳极连接；所述的第一电感L1的一端、第一电容C1的一端、第一二极管D1的阴极和第二二极管D2的阳极连接；所述的第一电感L1的另一端、第二电容C2的一端、第三二极管D3的阳极和第一开关管S1的漏极连接；所述的第三电容C3的一端、第三二极管D3的阴极和第二开关管S2的漏极连接；所述的第三电容C3的另一端、第四二极管D4的阳极和第一开关管S1的源极连接；所述的第二电感L2的一端、第一电容C1的另一端、第四二极管D4的阴极和第二开关管S2的源极连接；所述的第二二极管D2的阴极、输出电容Cout的一端和负载的正极连接；所述的直流输入电源Vin的负极、负载的负极、第二电感L2的另一端、第二电容C2的另一端和输出电容Cout的另一端连接；在t0～t1阶段，第一开关管S1和第二开关管S2的驱动信号VGS为高电平，第一开关管S1和第二开关管S2导通，第一二极管D1、第三二极管D3和第四二极管D4承受反向电压截止，第二二极管D2承受正向电压导通；第一电容C1和第三电容C3通过第一开关管S1和第二开关管S2向第一电感L1充电，第二电容C2和第三电容C3通过第一开关管S1和第二开关管S2向第二电感L2充电，第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3通过第一开关管S1、第二开关管S2和第二二极管D2向输出电容Cout充电和向负载供电；在t1～t2阶段，开关管S的驱动信号VGS为低电平，第一开关管S1和第二开关管S2关断，第一二极管D1、第三二极管D3和第四二极管D4承受正向电压导通，第二二极管D2承受反向电压截止；直流输入电源Vin和第一电感L1通过第一二极管D1给第二电容C2充电，直流输入电源Vin和第二电感L2通过第一二极管D1给第一电容C1充电，直流输入电源Vin、第一电感L1和第二电感L2通过第一二极管D1、第三二极管D3和第四二极管D4给第三电容C3充电，输出电容Cout向负载供电；由第一电感L1与第二电感L2的电压在一个开关周期内的平均值为零，得到下列关系式：VC1+VC3ton+Vin-VC2toff＝01VC2+VC3ton+Vin-VC1toff＝02VC1+VC2+2VC3ton+Vin-VC3toff＝03Vout+VC3ton+Vin-VC3toff＝04联立求解式1、2、3、4可得到输出电压Vout与直流输入电压Vin和开关占空比D的关系： 电路的开关管电压应力计算如下：第一开关管S1和第二开关管S2关断的时候，开关管电压应力VS1和VS2为VS1＝VS2＝VC36联立求解式1、2、3、4、5、6可以得到第一开关管S1和第二开关管S2电压应力为 传统Boost变换器的开关管电压应力为Vs＝Vout，共地的高增益Z源变换器的开关管电压应力为Vs＝Vout-Vin，HybridZ源DCDC变换器的开关管电压应力为Vs＝Vout。

全文数据：一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路技术领域本发明涉及DCDC变换器领域，具体涉及一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路。背景技术在光伏电池和燃料电池等可再生能源发电系统的双级式逆变器中，需要高电压增益的DCDC变换器来获得较高的直流电压以驱动逆变器。由于开关寄生参数和耐压能力的限制，传统的DCDC升压变换器难以实现高电压增益和高输出电压。Boost电路的电压增益为11-DD为占空比，为了获得较高的电压增益需要占空比接近于1，而占空比受到开关寄生参数的限制；其二极管和开关的电压应力与输出电压相等，二极管和开关的耐压能力限制了输出电压的幅值。近年来新出现的包括单个Z源或准Z源网络的DCDC变换器，相较于boost电路电压增益更高，如共地的高增益Z源变换器的电压增益为2-2D1-2DD为占空比，但是依旧有提升其电压增益的空间。在以上电路的基础上，出现了基于多个Z源和准Z源的DCDC变换器，如电压增益为11-4DD为占空比HybridZ源DCDC变换器。但是，以上所有的基于单个或多个Z源和准Z源的DCDC变换器均未明显降低开关的电压应力，因此输出电压幅值依旧受到限制。发明内容本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路。本发明的目的通过如下技术方案实现。本发明电路中具体包括直流输入电源Vin、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第三电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一开关管、第二开关管、输出电容和负载。本发明电路具体的连接方式为：直流输入电源Vin的正极和第一二极管的阳极连接；第一电感的一端、第一电容的一端、第一二极管的阴极和第二二极管的阳极连接；第一电感的另一端、第二电容的一端、第三二极管的阳极和第一开关管的漏极连接；第三电容的一端、第三二极管的阴极和第二开关管的漏极连接；第三电容的另一端、第四二极管的阳极和第一开关管的源极连接；第二电感的一端、第一电容的另一端、第四二极管的阴极和第二开关管的源极连接；第二二极管的阴极、输出电容的一端和负载的正极连接；直流输入电源Vin的负极、负载的负极、第二电感的另一端、第二电容的另一端和输出电容的另一端连接。与现有技术相比，本发明电路具有的优势为：在电压增益上，相比于传统的Boost变换器其电压增益为M＝11-D、共地的高增益Z源变换器其电压增益为M＝2-2D1-2D和HybridZ源变换器其电压增益为M＝11-4D等DCDC变换器，具有更高的电压增益，其电压增益为M＝3-4D1-4D；在开关电压应力上，相比于传统的Boost变换器其开关电压应力为Vs＝Vout、共地的高增益Z源变换器其开关电压应力为Vs＝Vout-Vin和HybridZ源变换器其开关电压应力为Vs＝Vout等DCDC变换器，具有更小的开关电压应力，其电压应力为Vs＝Vout-Vin2。当输入电压和输出电压相同时，本发明电路的开关占空比较小并且开关应力较小，并且输入输出共地，因此本发明电路具有很广泛的应用前景。附图说明图1为一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路结构图。图2为一个开关周期主要元件的电压电流波形图。图3a～3b为一个开关周期T内电路模态图。图4为本发明提出的电路、Boost变换器、共地的高增益Z源变换器和HybridZ源变换器的电压增益与占空比D的关系图。图5为本发明提出的电路、Boost变换器、共地的高增益Z源变换器和HybridZ源变换器的开关电压应力与输入电压的比值VsVin与电压增益的关系图。具体实施方式以下结合附图对本发明的具体实施方案进行具体说明，但本发明的实施不限于此，需指出的是以下若有未特别详细说明之符号或过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。本实例的基本拓扑结构和各主要元件电压电流参考方向如图1所示。一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路，包括直流输入电源Vin、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一开关管S1、第二开关管S2、输出电容Cout和负载。所述的直流输入电源Vin的正极和第一二极管D1的阳极连接；所述的第一电感L1的一端、第一电容C1的一端、第一二极管D1的阴极和第二二极管D2的阳极连接；所述的第一电感L1的另一端、第二电容C2的一端、第三二极管D3的阳极和第一开关管S1的漏极连接；所述的第三电容C3的一端、第三二极管D3的阴极和第二开关管S2的漏极连接；所述的第三电容C3的另一端、第四二极管D4的阳极和第一开关管S1的源极连接；所述的第二电感L2的一端、第一电容C1的另一端、第四二极管D4的阴极和第二开关管S2的源极连接；所述的第二二极管D2的阴极、输出电容Cout的一端和负载的正极连接；所述的直流输入电源Vin的负极、负载的负极、第二电感L2的另一端、第二电容C2的另一端和输出电容Cout的另一端连接。为了分析方便，电路结构中的器件均视为理想器件。第一开关管S1和第二开关管S2的驱动信号VGS、第一二极管D1电流iD1、第二二极管D2电流iD2、第三二极管D3电流iD3、第四二极管D4电流iD4、第一电感L1电流iL1、第二电感L2电流iL2、第一电容C1电压VC1、第二电容C2电压VC2、第三电容C3电压VC3、输出电容Cout电压VCo和输出电压Vout的波形图如图2所示。在t0～t1阶段，变换器在此阶段的模态图如图3a所示，第一开关管S1和第二开关管S2的驱动信号VGS为高电平，第一开关管S1和第二开关管S2导通，第一二极管D1、第三二极管D3和第四二极管D4承受反向电压截止，第二二极管D2承受正向电压导通。第一电容C1和第三电容C3通过第一开关管S1和第二开关管S2向第一电感L1充电，第二电容C2和第三电容C3通过第一开关管S1和第二开关管S2向第二电感L2充电，第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3通过第一开关管S1、第二开关管S2和第二二极管D2向输出电容Cout充电和向负载供电。在t1～t2阶段，变换器在此阶段的模态图如图3b所示，开关管S的驱动信号VGS为低电平，第一开关管S1和第二开关管S2关断，第一二极管D1、第三二极管D3和第四二极管D4承受正向电压导通，第二二极管D2承受反向电压截止。直流输入电源Vin和第一电感L1通过第一二极管D1给第二电容C2充电，直流输入电源Vin和第二电感L2通过第一二极管D1给第一电容C1充电，直流输入电源Vin、第一电感L1和第二电感L2通过第一二极管D1、第三二极管D3和第四二极管D4给第三电容C3充电，输出电容Cout向负载供电。本发明电路的电压增益计算如下。由第一电感L1与第二电感L2的电压在一个开关周期内的平均值为零，可得到下列关系式。VC1+VC3ton+Vin-VC2toff＝01VC2+VC3ton+Vin-VC1toff＝02VC1+VC2+2VC3ton+Vin-VC3toff＝03Vout+VC3ton+Vin-VC3toff＝04联立求解式1、2、3、4可得到输出电压Vout与直流输入电压Vin和开关占空比D的关系。传统Boost变换器的电压增益为11-DD为占空比，共地的高增益Z源变换器的电压增益为2-2D1-2DD为占空比，HybridZ源DCDC变换器的电压增益为11-4DD为占空比，本发明所提电路与Boost变换器、共地的高增益Z源变换器和HybridZ源DCDC变换器的稳态增益比较图如图4所示，从图4可知，在相同的条件下，本电路的电压增益最高。本发明电路的开关管电压应力计算如下。第一开关管S1和第二开关管S2关断的时候，开关管电压应力VS1和VS2为VS1＝VS2＝VC36联立求解式1、2、3、4、5、6可以得到第一开关管S1和第二开关管S2电压应力为传统Boost变换器的开关管电压应力为Vs＝Vout，共地的高增益Z源变换器的开关管电压应力为Vs＝Vout-Vin，HybridZ源DCDC变换器的开关管电压应力为Vs＝Vout，本发明所提电路与Boost变换器、共地的高增益Z源变换器和HybridZ源DCDC变换器的开关管电压应力比较图如图5所示，从图5可知，在相同的条件下，本电路的开关管电压应力最小。

权利要求：1.一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路，其特征在于包括直流输入电源Vin、第一电感（L1）、第二电感（L2）、第一电容（C1）、第二电容（C2）、第三电容（C3）、第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第三二极管（D3）、第四二极管（D4）、第一开关管（S1）、第二开关管（S2）、输出电容（Cout）和负载。2.根据权利要求1所述的一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路，其特征在于：所述的直流输入电源Vin的正极和第一二极管（D1）的阳极连接；所述的第一电感（L1）的一端、第一电容（C1）的一端、第一二极管（D1）的阴极和第二二极管（D2）的阳极连接；所述的第一电感（L1）的另一端、第二电容（C2）的一端、第三二极管（D3）的阳极和第一开关管（S1）的漏极连接；所述的第三电容（C3）的一端、第三二极管（D3）的阴极和第二开关管（S2）的漏极连接；所述的第三电容（C3）的另一端、第四二极管（D4）的阳极和第一开关管（S1）的源极连接；所述的第二电感（L2）的一端、第一电容（C1）的另一端、第四二极管（D4）的阴极和第二开关管（S2）的源极连接；所述的第二二极管（D2）的阴极、输出电容（Cout）的一端和负载的正极连接；所述的直流输入电源Vin的负极、负载的负极、第二电感（L2）的另一端、第二电容（C2）的另一端和输出电容（Cout）的另一端连接。3.根据权利要求1所述的一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路，其特征在于：输出电压Vout与直流输入电压Vin和开关占空比D的关系为。4.根据权利要求1所述的一种输入输出共地有源开关电容Z源升压斩波电路，其特征在于：第一开关管（S1）和第二开关管（S2）电压应力为。

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