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一种新型开关电感、开关电容的高增益Boost变换器

更新时间:2016-07-05

随着全球能源需求的日益加剧和传统化石能源引起的环境问题,光伏、燃料电池等绿色能源得到不断应用和发展,而高增益的DC-DC变换器也受到了广泛的研究和关注[1],其应用范围日益增大[2-3]

具有开关电感单元的Boost变换器[4]与传统Boost传感器相比,具有单个电感体积小、相互对称、增益提升空间大的特点,但其输入增益有限,且功率开关管电压应力等于输出电压,大功率开关管导通损耗较大,同时输出端二极管承受的电压应力为输出电压,反向恢复问题较为严重;具有开关电容单元的Boost变换器[5]比之传统Boost传感器,具有开关管承受应力较低、输出端的二极管承受的反向电压较小的特点,能保护元件,但其增益只有传统Boost变换器的2倍,且电感电流平均值等于输入电流的平均值,使得磁性元件体积增加,不利于变换器的拆装。文献[6]提出一种新型的多单元开关电感/开关电容有源网络变换器,能提供一个较大的电压增益并减小电压应力,可由多个开关电感、开关电容构成;文献[7]提出一种基于电压升举技术的新兴开关技术,达到其高增益的效果。

时间与区域划分:以船舶航行0.5 h为1个时间单位,T0为进港登船时间,T1为进港0.5 h,…,T10靠泊结束,得到调查表见表1。

本文综合开关电感和开关电容的优点,提出一种基于开关电感/电容的新型高增益Boost变换器,降低开关管的电压应力,便于选择导通电阻较小的功率开关管,减小开关管的导通损耗。该新型变换器具有增益大、输入电压范围较宽、电感电流小、功率开关管和输出二极管承受的电压应力小、结构灵活、成本低、方便拆装等优势。通过分析基于开关电感/电容的新型高增益Boost变换器的工作原理,得出其优点,最后通过仿真和实验验证了理论分析的正确性。

1 基于开关电感/电容的新型高增益Boost变换器工作原理分析

1.1 基本开关电感单元

图1是传统Boost电路,用于升压控制,其增益是,开关管S的电压应力为输出电压Vo

2.1 两组眼科和全身基本情况 纳入视野前青光眼患者共36例,男女比例均衡,为青中年人,青光眼家族史人数比健康对照组多,其余各项基本情况与正常组相比差异均无统计学意义。见表1。

图1 传统Boost电路 Fig.1 Traditional Boost circuit

如图8所示为基于开关电感/电容的新型高增益Boost变换器的实验波形。图8(a)中,当输入电压为 12 V,输出电压为 72 V,与式(14)、式(19)结果相符。图8(d)中,当输出电压为72 V,功率开关管S承受的电压应力为36 V,与式(15)、(22)相符。如图8(e)所示,当输出电压为72 V,输出端二极管D4承受的电压应力为36 V,与式(16)、(23)相符。如图8(b)和图8(c)所示,输入电流为 1.97 A,效率为85%。表2为工作特性对比分析,表2进一步说明了本电路的优越性。

(1)和国外商业银行相比,商业银行对不良贷款管理的方法较少,严重影响了不良贷款的处置效率。银行处置不良贷款,常常选择以资抵债,但各种抵贷资产的处置变现效率低下,难以实施到位,有时押而不抵现象的出现,同时也加大了风险。

图2 开关电感Boost变换器的电路拓扑 Fig.2 Circuit topology of Boost converter based on the switched inductor

开关电感Boost变换器具有以下优点:①电感的平均电流比较小;②L1、L2的工作模态相互对称,便于集成于同一个磁芯;③有利于提高增益。

开关电感Boost变换器存在以下缺点:①增益较小;②功率开关管承受的电压应力等于输出电压,过高的开关管电压应力使得开关管的导通电阻值增大,增加导通损耗;③输出侧二极管电压应力为输出电压,承受的电压应力大,反向恢复问题严重,增益是,开关管S承受的电压应力是Vo

根据式(6)~式(9),有

图3 开关电容Boost变换器的电路拓扑 Fig.3 Circuit topology of Boost converter based on the switched capacitance

开关电容Boost变换器具有以下优点:功率元件承受的电压应力较小,从而可以选择导通电阻小的功率元件,减小导通损耗。

开关电容Boost变换器存在的缺点是:①增益较小,仅为传统Boost变换器的2倍;②输入电流的平均值为电感电流的平均值,增加磁性元件的体积,拆装困难。

引言:当前,经济生活水平的提高,人们开始更注重身体保健,所以通过定期体检尽早发现疾病并加以治疗[1]。采血作为体检中的项目之一,体检人员基于对体检认知的不足以及采血后按压手法的不当,采血后皮下血肿问题明显,造成体检人员身体、心理一定程度伤害,还会导致医疗纠纷问题[2]。护理干预工作的实施可以降低体检人员采血期间皮下血肿问题,利于提高体检人员的满意度[3]。基于此,本文就我院体检中心160例体检人员作为实验对象,总结护理干预价值。

当开关管S导通时,由图5(a)可知,二极管D2承受反向电压而截止,D1、D3承受正向电压而导通,输入电压Ui通过开关管S为电感L1和L2充电,电感电流线性上升;C2、C3共同释放能量给负载以维持电压稳定,C1通过C3放电来储存能量至充满。D4、D5承受反向电压而截止,D6承受正向电压导通,且C2与串联构成回路。

1.2 基于开关电感/电容的新型高增益Boost变换器的工作过程

图4所示是基于开关电感/电容的新型高增益Boost变换器的原理。与传统Boost电路(图1)相比,将其电感和电容分别替换为开关电感单元和开关电容单元,由电感 L1、L2,电容 C1、C2、C3,二极管 D1、D2、D3、D4、D5、D6及开关管 S 构成,其中 Vi为输入电压,R为负载。

图4 基于开关电感/电容的新型高增益Boost变换器 Fig.4 New high-gain Boost converter based on switched inductor/capacitance

为简化分析,假设二级管、开关管、电容、电感均为理想元件,开关变换器的开关频率fs远大于其最大特征频率,在一个开关周期内,输入电压保持不变,D为开关位导通时间占空比,所有的电感均工作在电流连续CCM(current continuous mode)状态。图5为基于开关电感/电容的新型高增益Boost变换器在一个开关周期内的开关状态。

(1)工作状态 1(0≤t≤DTs

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课外阅读书目,可结合教材选篇推荐,可选择与教材内容紧密相关作品,可选择与作者所处时代接近作品,可选择与教材选篇主题相似不同时代作品。目的在于加深学生对教材选文所代表作品的理解,提升学生阅读积淀,培养学生文学鉴赏能力。在教学某篇作品前后,推荐相应作品。学习《再别康桥》,推荐阅读岳南反映民国文人心路历程的《南渡北归》;学习《故都的秋》,推荐阅读《郁达夫散文选》《郁达夫小说选》;学习《采薇》前,推荐阅读祝和军《大秦帝国的野蛮成长》前二卷;学习《边城》前,推荐阅读体现沈从文爱情观点的《三三》《媚金、豹子与那羊》等小说。从比较阅读角度,再推荐阅读同写爱情的川端康成的《伊豆的舞女》、张承志的《黑骏马》。

该电路的增益是,开关管S承受的电压应力是1/2 Vo,输出端二极管D1承受的电压应力是1/2 Vo

图5 基于开关电感/电容的新型高增益Boost变换器的开关工作状态 Fig.5 Two operation states of a new high-gain Boost converter based on switched inductor/capacitance

在该工作阶段,各个元器件的电压分别为

采用如表1所示的主电路参数对本文提出的基于开关电感/电容的新型高增益Boost变换器进行实验,验证理论分析结果。

当开关管S关断时,由图5(b)可知,二极管D1、D3承受反向电压而截止,D2承受正向电压而导通,电感L1和L2串联释放能量,给负载端放电,电感L1和L2的电流线性下降;D6承受反向电压反向截止,D4、D5承受正向电压导通,C1释放能量给 C2、C3储存能量,当C1上的电压和C2上的电压相等时,C2又开始和C1一起放电给C3充电至充满。C1释放的能量能提高输出电压,且使得C2、C3能具有自均压能力。

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在该工作阶段,各个元器件的电压分别为

开关电容Boost变换器的电路拓扑如图3所示。图3中,开关电容Boost单元(虚线框内)由3个大小相等的电容 C1、C2、C3和 3 个二极管 D1、D2、D3组成。当开关管S导通时,C2、C3释放能量,C1储能;当开关管S关断时,C1释放能量,C2、C3储能,同时C1提高输出电压,提高了增益。

1.3 对工作状态分析得出的结论

根据电感伏秒(磁链)平衡原理——一个稳定运周期内,电感电流的净变化量为零,结合式(1)和式(11),得出伏秒平衡公式

增益α的表达式为

根据式(3)~式(5),功率开关管电压应力表达式为

根据式(8)~式(10),输出侧的二极管的电压应力表达式为

2 稳态特性分析

采用时间平均等效原理对所提出的基于开关电感/开关电容的高增益Boost变换器进行直流稳态分析,其直流稳态等效电路如图6所示。

图6 基于开关电感/开关电容的新型高增益Boost变换器直流稳态等效电路 Fig.6 Stable DC equivalent circuit of a new high-gain Boost converter based on switched inductor/capacitance

图6中当电路工作在直流稳态,电感可以看作短路,电容可以看作开路,可得基于开关电感/电容的新型高增益Boost变换器的电压传输比和变量关系,即

功率元件的电压应力为

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3 实验论证

本文设计了一台规格为输入电压12 V、输出电压72 V、输出电流1.97 A、输出功率为20 W的实验样机,如图7所示,验证本文提出变换器的工作原理。

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图7 主电路实验样机 Fig.7 Experiment prototype of main circuit

(2)工作状态 2(DTs≤t≤Ts

表1 基于开关电感/电容的新型高增益Boost变换器主电路参数 Tab.1 Main circuit parameters of a new high gain Boost converter based on switched inductor/capacitance

变量 数值 变量 数值输入电压Vi/V 12 储能电容C3/μF 300储能电感L1/mH 0.5 负载电阻R/Ω 245储能电感L2/mH 0.5 开关周期Ts/μs 20储能电容C1/μF储能电容C2/μF 100 100占空比D输出电压压Vo/V 0.5 72

开关电感Boost变换器的电路拓扑如图2所示。图2中,开关电感Boost单元(虚线框内)由2个大小相等的电感 L1、L2和 3 个二极管 D1、D2、D3组成。当开关管S导通时,二极管D1、D3正向导通,D2反向截止,L1、L2由输入电压Ui充电;当开关管S断开时, 二极管 D2正向导通,D1、D3反向截止,L1、L2串联对负载放电。

图8 基于开关电感/电容新型高增益Boost变换器实验波形 Fig.8 Experimental waveforms of a new high-gain Boost converter based on switched inductor/capacitance

表2 工作特性对比分析 Tab.2 Comparative analysis of operating characteristics

变换器 电路增益 开关管S的电压应力输出端二极管电压应力图1 1 1-D Vo -图2 1+D 1-D Vo -图3 2 1-D 1 2Vo 1 2Vo本文 2+2D 1-D 1 2Vo 1 2Vo

从表2能直观看出,本文提到的新型变换器的优势,主要是能够增大电路增益,减小元器件电压应力。

因此,实验结果验证了理论分析的正确性。

4 结语

基于开关电感/电容单元的特点,提出了一种新型的高增益Boost变换器,它结合了开关电感、开关电容的优点,降低功率器件承受的电压应力,为传统拓扑的一半,所以开关管的导通损耗和二极管的反向恢复损耗直流降低,增益较高。使得这种新型开关电感/电容的新型高增益Boost变换器能够应用于直流增益较大、功率元件承受的电压应力较低、输入电流连续、输入电压范围宽的场合,且通过实验验证了理论分析。

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The authors declare no competing financial interests.

[2]Li Wuhua,Fan Lingli,Zhao Yi,et al.High-step-up and high-efficiency fuel-cellpower-generation system with ctive-clamp flyback-forward converter[J].IEEE Transactions on Industry Electronics,2012,59(1):599-610.

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With this,the teacher should teach basic knowledge in class,and after class,the students can develop the learning autonomy according to their own situation.Teachers should prepare different learning materials and guide the students to learn and finish the tasks.

[5]Rosas-Caro J C,Ramirez J M,Peng F Z,et al.A DC-DC multilevel Boost converter[J].IET Power Electronics,2010,3(1):129-137.

[6]王挺,汤雨,何耀华,等.多单元开关电感/开关电容有源网络变换器[J].中国电机工程学报,2014,34(6):832-838.Wang Ting,Tang Yu,He Yaohua,et al.Multicell switchedinductor/switched-capacitor active-network converter[J].Proceedings of the CSEE,2014,34(6):832-838(in Chinese)

[7]张士宇,许建平,杨平.新型单开关高增益boost变换器研究[J].电工电能新技术,2013,32(3):12-15.Zhang Shiyu,Xu Jianping,Yang Ping.Research on a new single-switch high gain Boost converter[J].Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy,2013,32(3):12-15(in Chinese).

马智文,曾怡达,杨辉金
《电源学报》 2018年第02期
《电源学报》2018年第02期文献

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