一種基于開關電容電感的直流升壓變換器及系統的制作方法

本發明涉及變換器技術領域，特別是涉及一種基于開關電容電感的直流升壓變換器及系統。

背景技術：

隨著光伏發電和燃料電池等分布式發電系統的發展和普及，高升壓比直流變換器越來越受到重視。對于升壓變換器來說，其電壓增益是一個重要的參數。

現有技術中，為了提高電壓增益，通常有如下兩種方法，一種是提高升壓變換器的占空比，即當升壓變換器的占空比足夠大時可以達到很高的電壓增益；另一種方法是利用具有高匝數比的變壓器或耦合電感來實現。

上述兩種方法中，前者在實際應用中由于器件的電壓電流壓力和損耗的限制，升壓變換器的占空比通常不會大于0.8，單純依靠占空比來提高電壓增益具有局限性；后者由于高匝數比變壓器和耦合電感的設計較難且損耗很大，因此，也無法滿足實際需求。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種基于開關電容電感的直流升壓變換器，既可以通過改變開關電容電感單元的數量來改變該電壓增益，也可以通過控制公共開關管的導通占空比來調節該電壓增益。因此，能夠克服現有技術中單純依靠占空比來提高電壓增益所帶來的局限性，而且結構簡單，所用器件成本較低。另外，本發明的目的還提供一種基于開關電容電感的直流升壓變換系統。

為解決上述技術問題，本發明提供一種基于開關電容電感的直流升壓變換器，包括公共開關管、直流電壓源和n個串聯連接的開關電容電感單元，所述開關電容電感單元包括第一電感器，第一電容器、第二電容器、第一二極管、第二二極管和第三二極管；

其中，所述第一二極管的陽極分別與所述第一電容器的負極和所述第一電感器的第一端連接，所述第二二極管的陰極與所述第一電容器的正極連接，所述第二電容器的正極分別與所述第一二極管的陰極和所述第二二極管的陽極連接，所述第二電容器的負極分別與所述第一電感器的第二端和所述第三二極管的陽極連接；

首端的所述開關電容電感單元的第一電容器的負極與所述直流電壓源的正極連接，末端的所述開關電容電感單元的第一電容器的正極與負載連接，所述公共開關管的第一端分別與所述直流電壓源的負極和所述負載連接，各所述第三二極管的陰極均與所述公共開關管的第二端連接，所述公共開關管的控制端通過驅動電路與控制器連接，n為正整數。

優選地，所述開關電容電感單元還包括諧振電感器，所述諧振電感器的第一端與所述第二電容器的正極連接，第二端分別與所述第一二極管的陰極和所述第二二極管的陽極連接。

優選地，所述公共開關管為n溝道電力場效應晶體管。

優選地，所述公共開關管為p溝道電力場效應晶體管。

優選地，所述公共開關管為絕緣柵雙極型晶體管。

為解決上述技術問題，本發明提供一種直流升壓變換系統，包括負載，驅動電路和控制器，還包括所述的基于開關電容電感的直流升壓變換器。

優選地，所述負載的數量為n個。

本發明所提供的基于開關電容電感的直流升壓變換器，包括公共開關管、直流電壓源和n個串聯連接的開關電容電感單元，開關電容電感單元包括第一電感器，第一電容器、第二電容器、第一二極管、第二二極管和第三二極管。基于開關電容電感的直流升壓變換器之所以具有較高的電壓增益是因為，既可以通過改變開關電容電感單元的數量來改變該電壓增益，也可以通過控制公共開關管的導通占空比來調節該電壓增益。因此，能夠克服現有技術中單純依靠占空比來提高電壓增益所帶來的局限性，而且結構簡單，所用器件成本較低。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例，下面將對實施例中所需要使用的附圖做簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的一種基于開關電容電感的直流升壓變換器的電路圖；

圖2為本發明實施例提供的一種圖1所示的電路在公共開關管s導通時對應的電路圖；

圖3為本發明實施例提供的一種圖1所示的電路在公共開關管s關斷時對應的電路圖；

圖4為本發明實施例提供的一種圖1所示的電路在任意一個第一電感器li工作在電流斷續狀態時對應的電路圖；

圖5為本發明實施例提供的一種圖1所示的電路在第一電感器li全部工作在電流斷續狀態時對應的電路圖；

圖6為本發明實施例提供的另一種基于開關電容電感的直流升壓變換器的電路圖；

圖7為本發明實施例提供的一種直流升壓變換系統的電路圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下，所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護范圍。

本發明的核心是提供一種基于開關電容電感的直流升壓變換器，既可以通過改變開關電容電感單元的數量來改變該電壓增益，也可以通過控制公共開關管的導通占空比來調節該電壓增益。因此，能夠克服現有技術中單純依靠占空比來提高電壓增益所帶來的局限性，而且結構簡單，所用器件成本較低。另外，本發明的目的還提供一種基于開關電容電感的直流升壓變換系統。

為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步的詳細說明。

圖1為本發明實施例提供的一種基于開關電容電感的直流升壓變換器的電路圖。包括公共開關管s、直流電壓源vin和n個串聯連接的開關電容電感單元10，開關電容電感單元10包括第一電感器li，第一電容器ci1、第二電容器ci2、第一二極管di1、第二二極管di2和第三二極管di3；

其中，第一二極管di1的陽極分別與第一電容器ci1的負極和第一電感器li的第一端連接，第二二極管di2的陰極與第一電容器ci1的正極連接，第二電容器ci2的正極分別與第一二極管di1的陰極和第二二極管di2的陽極連接，第二電容器ci2的負極分別與第一電感器li的第二端和第三二極管di3的陽極連接；

首端的開關電容電感單元10的第一電容器ci1的負極與直流電壓源vin的正極連接，末端的開關電容電感單元10的第一電容器ci1的正極與負載r連接，公共開關管s的第一端分別與直流電壓源vin的負極和負載r連接，各第三二極管di3的陰極均與公共開關管s的第二端連接，公共開關管s的控制端通過驅動電路與控制器連接，n為正整數。

需要說明的是，i為從1到n的正整數，上述開關電容電感單元10數量可以不唯一，即開關電容電感單元10數量可以為大于或等于1的正整數。需要進一步說明的是，當上述開關電容電感單元10的數量不唯一時，具體連接方式包括：第k個開關電容電感單元10中的中第一電容器ci1的正極與第k+1個開關電容電感單元10的第一電容器ci1的負極連接，其中，k為小于或等于n-1的正整數。

可以理解的是，本發明公開的變換器的輸出電壓為直流電壓源vin和n個開關電容電感單元10中所有的第一電容器ci1的電壓之和。公共開關管s的控制端通過驅動電路與控制器連接，通過調節公共開關管s的導通占空比可以連續調節電壓增益。另外，不同數量的開關電容電感單元10為可以帶來不同的電壓增益。為了進一步對本發明的方案進行說明，故提供下述具體的實施例以供本領域技術人員進行參考。

公共開關管s的控制端通過驅動電路與控制器連接，公共開關管s高頻交替工作在導通和關斷兩種狀態。

1)當公共開關管s開通

圖2為本發明實施例提供的一種圖1所示的電路在公共開關管s導通時對應的電路圖。n個開關電容電感單元10的第i個開關電容電感單元10中第一二極管di1和第三二極管di3導通，第二二極管di2截止；直流電壓源vin和n個開關電容電感單元10的第1個至第i-1個開關電容電感單元10中的所有第一電容器ci1～c(i-1)1一起同時給n個開關電容電感單元10的第i個開關電容電感單元10中的第一電感器li和第二電容器ci2充電，于是第一電感器li和第二電容器ci2的電壓分別用公式(1)和(2)描述：

vli(s_on)＝vin+vc11+…+vc(i-1)1(1)

vci2＝vin+vc11+…+vc(i-1)1(2)

2)當公共開關管s關斷

圖3為本發明實施例提供的一種圖1所示的電路在公共開關管s關斷時對應的電路圖。n個開關電容電感單元10的第i個開關電容電感單元10中第一二極管di1和第三二極管di3截止，第二二極管di2導通；n個開關電容電感單元10的第i個開關電容電感單元10中的第一電感器li和第二電容器ci2串聯后向第一電容器ci1放電，于是第一電感器li的電壓可以用公式(3)描述：

vli(s_off)＝vci1-vci2(3)

隨著如圖2和圖3所示的兩種工作狀態的高頻交替操作，穩定狀態下第一電感器li必須滿足伏秒平衡，于是n個開關電容電感單元10的第i個開關電容電感單元10中第一電容器ci1的電壓可以根據公式(1)和(3)推導，結果用公式(4)表示，式中d為公共開關管s的導通占空比。

vci1＝[vin+vc11+…+vc(i-1)1]/(1-d)(4)

于是，所述n個開關電容電感單元10的所有開關電容電感單元10中的第一電容器ci1～cn1的電壓可分別用公式(5.1)到(5.n)具體描述：

vc11＝vin/(1-d)(5.1)

vc21＝vin/(1-d)+vin/(1-d)²(5.2)

vc31＝vin/(1-d)+2vin/(1-d)²+vin/(1-d)³(5.3)

vc41＝vin/(1-d)+3vin/(1-d)²+2vin/(1-d)³+vin/(1-d)⁴(5.4)

vci1＝vin/(1-d)+[(i-1)vin]/(1-d)²+[(i-2)vin]vin/(1-d)³+…+2vin/(1-d)^i-1+vin/(1-d)ⁱ

(5.i)

vcn1＝vin/(1-d)+[(n-1)vin]/(1-d)²+[(n-2)vin]vin/(1-d)³+…+[(n+1-i)vin]/(1-d)ⁱ+…+2vin/(1-d)^n-1+vin/(1-d)ⁿ(5.n)

在該實施例中，高升壓比直流變換器的輸出電壓vo為直流電壓源vin電壓與n個開關電容電感單元10的所有開關電容電感單元10中的第一電容器ci1～cn1的電壓之和，所以該實施例中高升壓比直流變換器的理想電壓增益用公式(6)描述：

vo/vin＝1+n/(1-d)+[n(n-1)]/[2(1-d)²]+…+[(n+2-i)(n+1-i)]/[2(1-d)ⁱ]+…+3/(1-d)^n-1+1/(1-d)ⁿ(6)

需要說明的是，公式(3)、(4)和(5.1)到(5.n)所描述的電容器和電感器的電壓，以及公式(6)所描述的理想電壓增益均是指在n個開關電容電感單元10中所有電感器均工作在電流連續模式下的電壓和理想電壓增益。

作為可選方案，n個開關電容電感單元10的第i個開關電容電感單元10的第一電感器li可以工作在電流斷續狀態，其工作模態如圖4所示。圖4為本發明實施例提供的一種圖1所示的電路在任意一個第一電感器li工作在電流斷續狀態時對應的電路圖。

作為可選方案，n個開關電容電感單元10所有第一電感器li可以全部工作在電流斷續狀態，其工作模態如圖5所示。圖5為本發明實施例提供的一種圖1所示的電路在第一電感器li全部工作在電流斷續狀態時對應的電路圖。

本實施例提供的基于開關電容電感的直流升壓變換器之所以具有較高的電壓增益是因為，既可以通過改變開關電容電感單元的數量來改變該電壓增益，也可以通過控制公共開關管的導通占空比來調節該電壓增益。因此，能夠克服現有技術中單純依靠占空比來提高電壓增益所帶來的局限性，而且結構簡單，所用器件成本較低。

圖6為本發明實施例提供的另一種基于開關電容電感的直流升壓變換器的電路圖。在上述實施例的基礎上，開關電容電感單元10還包括諧振電感器lri，諧振電感器lri的第一端與第二電容器ci2的正極連接，第二端分別與第一二極管di1的陰極和第二二極管di2的陽極連接。

在具體實施中，為了減小n個開關電容電感單元10的第i個開關電容電感單元10的第二電容器ci2在全控開關s導通瞬間的充電電流脈沖對器件的影響和消除其引起的電磁干擾，在圖1的基礎上，還包括諧振電感器lri。

可以理解的是，圖1所示的公共開關管s的類型可以根據電路實際情況任意選取，可以為n溝道電力場效應晶體管、p溝道電力場效應晶體管或公共開關管s為絕緣柵雙極型晶體管。除了上述幾種外，還可以為其他類型，本發明不再贅述。

若公共開關管s為n溝道電力場效應晶體管，則n溝道電力場效應晶體管的柵極作為公共開關管s的控制端，n溝道電力場效應晶體管的源極作為公共開關管s的第一端，n溝道電力場效應晶體管的漏極作為公共開關管s的第二端。

若公共開關管s為p溝道電力場效應晶體管，則p溝道電力場效應晶體管的柵極作為公共開關管s的控制端，p溝道電力場效應晶體管的漏極作為公共開關管s的第一端，p溝道電力場效應晶體管的源極作為公共開關管s的第二端。

若公共開關管s為絕緣柵雙極型晶體管，則絕緣柵雙極型晶體管的門極作為公共開關管s的控制端，絕緣柵雙極型晶體管的集電極作為公共開關管s的第一端，絕緣柵雙極型晶體管的發射極作為公共開關管s的第二端。

上述實施例中，對于基于開關電容電感的直流升壓變換器進行了詳細說明，本發明還提供的一種包含該變換器的系統。一種直流升壓變換系統，包括負載r，驅動電路和控制器，還包括上述實施例所述的基于開關電容電感的直流升壓變換器。對于直流升壓變換系統的實施例，本發明不再贅述。

在其中一種實施例中，負載r的數量為n個，即負載r的數量與開關電容電感單元10的數量相同。圖7為本發明實施例提供的一種直流升壓變換系統的電路圖。多個負載r中第i個負載ri的一端與直流電壓源vin的負極連接，另一端與n個開關電容電感單元10的第i個開關電容電感單元10的第一電容器ci1的正極連接。

以上對本發明所提供的基于開關電容電感的直流升壓變換器及系統，進行了詳細介紹。說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對于實施例公開的裝置而言，由于其與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法部分說明即可。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護范圍內。

還需要說明的是，在本說明書中，諸如第一和第二等之類的關系術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。