基于Y源倍压网络的非隔离型高增益DC-DC变换器

本发明属于dc-dc变换器，具体涉及一种基于y源倍压网络的非隔离型高增益dc-dc变换器。

背景技术：

1、目前，化石能源危机和环境污染问题导致全球变暖及气候变化问题持续加剧，因此，具有可持续、污染小、储量大等特点的新能源便得到了大力提倡与发展，其中太阳能、风能以及水电等清洁能源以其巨大的能源储量和广泛的分布，尤其具有代表性。

2、随着技术的发展，新能源开发成本持续降低，但与化石能源相比仍然要高出不少。因此，如何高效利用新能源，使之更经济、更普遍地融入日常生活，成为新能源领域各行业研究人员共同努力的方向。由于清洁能源发电机组与分布式发电系统的适配性更加突出，分布式发电在电力供给中占比逐年增高，供电方式多样化将是未来电力系统的发展方向。直流微电网系统因其具有效率高、易控制以及没有无功功率流动等优点，成为近年来发展较快的一种分布式电力供给结构。

3、在直流微电网中，光伏模块和燃料电池等清洁能源产生的电能通过高电压增益dc-dc变换器并入高压直流母线，它可以将光伏机组和燃料电池产生的低压直流电调制成直流微电网所需的高压直流电，对直流微电网系统的性能和能效起到了关键作用。

4、故开发性能更加优越的升压dc-dc变换器，是高效利用清洁能源的一个有效方案。

技术实现思路

1、为了实现上述目的，本发明在传统boost变换器的基础上结合非隔离耦合电感技术，提出了一种基于y源倍压网络的非隔离型高增益dc-dc变换器。整个电路结构简单，效率高，输入电流连续，纹波小，电容电压应力小，能够实现超高电压增益。

2、实现本发明的技术解决方案为：一种基于y源倍压网络的非隔离型高增益dc-dc变换器，其特征在于，包括直流输入电源vin，输入储能电感l1，功率开关管s，三耦合绕组，第一二极管d1，第二二极管d2，第一储能电容c1，第二储能电容c2，第三储能电容c3和负载单元；所述功率开关管s、第一二极管d1以及第一储能电容c1组成钳位单元；所述三耦合绕组由第一耦合电感n1、第二耦合电感n2和第三耦合电感n3组成；其中，输入储能电感l1的一端与直流输入电源vin的正极相连，另一端与第二储能电容c2的负极、第一二极管d1的正极以及开关管s负极的公共端相连接，第二储能电容c2的正极与第三耦合电感n3的同名端以及第二二极管d2正极的公共端相连接，第一二极管d1的负极与第一耦合电感n1的同名端以及第一储能电容c1正极的公共端相连接，第一耦合电感n1的异名端与第三耦合电感n3的异名端以及第二耦合电感n2的同名端的公共端相连接，第二耦合电感n2的异名端与第三储能电容c3的正极相连接，第二二极管d2的负极以及第三储能电容c3的负极与负载单元的一端相连接，直流输入电源vin的负极、开关管s的正极以及第一储能电容c1负极与负载单元的另一端相连接。

3、进一步地，所述负载单元包括第三二极管do、输出电容co和负载电阻r，第三二极管do的正极与第三储能电容c3的负极以及第二二极管d2的负极相连，第三二极管do的负极与输出电容co的正极相连接，输出电容co与负载电阻r并联，输出电容co的负极与直流输入电源vin的负极、开关管s的正极以及第一储能电容c1负极相连接。

4、进一步地，所述三耦合绕组等效为匝比n1:n2:n3的变压器、漏感lk及励磁电感lm。其中耦合绕组匝比n1:n2:n3＝1:n1:n2。

5、进一步地，所述功率开关管s采用n沟道的mos管，所述功率开关管s通过栅极和源极接收外部主控芯片的控制信号，控制开关管处于导通或截止状态。

6、进一步地，所述变换器处于模态i[t0,t1]时，在t0时刻，开关管s接收到导通触发信号，功率开关管s开始导通，第一二极管d1、第二二极管d2关断。该状态下，直流输入电压源vin通过功率开关管s给输入储能电感l1充电，输入电流iin因此会呈线性增加。第二耦合电感n2、第三耦合电感n3、第二储能电容c2以及第三储能电容c3均处于放电状态，并通过第三二极管do给负载电阻r提供能量。第一储能电容c1释放能量，给励磁电感充电，因此励磁电流ilm上升，漏感电流反向减小。当功率开关管s两端电压降为0，该模态结束。

7、进一步地，所述变换器处于模态ii[t1,t2]时，在t1时刻，功率开关管s完全导通。第一二极管d1、第三二极管do关断，第二二极管d2导通。输入电压源vin与第一储能电容c1通过功率开关管s，对第一耦合电感n1及漏感l1k充电。通过磁耦合原理，由第一耦合电感n1、第三耦合电感n3及漏感l1k、l3k对第二储能电容c2充电，由第二耦合电感n2、第三耦合电感n3及漏感l2k、l3k对第三储能电容c3充电。输出电容co单独将能量释放到负载r上。功率开关管s在t2时刻接收到关断触发信号，该模态结束。

8、进一步地，所述变换器处于模态ii时，根据kvl定律可得到电路中输入储能电感l1与第一耦合电感n1、第二耦合电感n2和第三耦合电感n3的电压关系为：

9、

10、其中：vin为直流输入电压；vl1_on、vn1_on、vn3_on分别为在功率开关管s导通情况下输入储能电感l1、第一耦合电感n1、第二耦合电感n2和第三耦合电感n3的两端电压，vc1、vc2、vc3分别为第一储能电容c1，第二储能电容c2，第三储能电容c3两端的电压。

11、进一步地，所述变换器处于模态iii[t2,t3]时，在t2时刻，功率开关管s接收到关断触发信号。由于功率开关管s内部的寄生电容使得功率开关管s不会立即关断，仍处于导通状态，但电流开始快速减小。第一二极管d1导通。直流输入电源vin开始通过第一二极管d1给第一储能电容c1充电，漏感电流开始减小，当第三储能电容c3电压大于输出电容co电压时，第三二极管do导通，第二二极管d2关断。当功率开关管s电流减小为0时，该模态结束。

12、进一步地，所述变换器处于模态iv[t3,t4]时，在t3时刻，功率开关管s关断状，第二二极管d2关断，第一二极管d1、第三二极管do导通。直流输入电源vin与输入储能电感l1通过第一二极管d1同时给第一储能电容c1充电。第二储能电容c2为三耦合绕组的第一耦合电感n1、第三耦合电感n3及漏感l1k、l3k充电，第三储能电容c3通过第三二极管do向负载电阻r供电。功率开关管s在t4时刻接收到导通触发信号，此模态结束。

13、进一步地，所述变换器处于模态iv时，根据kvl定律可得到电路中输入储能电感l1与第一耦合电感n1、第二耦合电感n2和第三耦合电感n3的电压关系为：

14、

15、其中：vin为直流输入电压；vl1_off为输入储能电感l1在功率开关管s关断情况下的电感电压；vn1_off、vn2_off、vn3_off分别为第一耦合电感n1、第二耦合电感n2和第三耦合电感n3的两端电压开关管s关断情况下的电压；vc1、vc2、vc3分别为第一储能电容c1，第二储能电容c2，第三储能电容c3两端的电压。

16、进一步地，对输入储能电感l1、第一耦合电感n1、第二耦合电感n2和第三耦合电感n3使用电压伏秒平衡法则，得到变换器在连续导通模式(ccm)下的电压增益：

17、

18、其中d为占空比，b变换器的电压增益，vo为变换器的输出电压，定义n1、n2为耦合电感匝比n1＝n2/n1，n2＝n3/n1。其中

19、本发明相较于现有的dc-dc升压变换器电路拓扑结构，具有以下技术优势：

20、本发明的变换器引入三耦合绕组和倍压单元，通过调整耦合绕组的匝数比，成功实现了在低占空比情况下获得高升压增益的目标，避免了开关管在极限占空比工作时出现高电压增益，从而确保了变换器的安全性。引入钳位单元，主要减轻了主开关器件的电压应力，减少了器件的损耗，并提高了整个电路结构的可靠性。这一发明减少了无源元件的数量，从而降低了整个电路的成本，提升了电路的工作效率；同时，电容电压应力较低，减少了整个电路的能量损耗，提升了变换器的效率。整体设计合理、安全易用，操作简单，所需器件较少，设计成本低，展现出较大的应用潜力。