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电容的双输入升压变换器综述

 论文栏目:电子器件论文     更新时间:2014-4-8 10:21:24   

1输入电源2工作特性

当只有输入电源2(Uin2)供电时,双输入升压变换器的电路拓扑如图6(a)所示,其等效电路如图6(b)所示。在这种情况下,双输入升压变换器的工作原理与只有输入电源1供电时相同,通过2个开关电容网络中的电容电压累加升压,得到相同的输出效果。

2性能分析

2.1电容电压

每个开关电容网络中的电容电压大小相等,为输入电压的1/(1D)倍,通过前级Boost电路的升压和2个开关电容网络中电容电压的累加实现变换器升压的作用。

2.2电感电流纹波

图7给出了双输入升压变换器的电感电流波形。图7(a)为电感L1的电流iL1波形,图7(b)为电感Lo的电流iLo波形,其中IL1、ILo分别为电感L1、Lo的平均电流。由于电感L1、L2的电流波形相近,因此以电感L1的电流波形为例进行分析。

2.3电路瞬时特性分析

任何一个输入电源工作时,该变换器的工作原理都相同,因此,本文以输入电源1工作情况为例分析该变换器的瞬时特性。

3仿真分析与实验研究

3.1仿真分析

为验证基于开关电容网络的双输入升压变换器理论分析的正确性,本文基于Matlab/Simulink搭建了仿真模型。以双输入升压变换器为例,仿真参数:输入电源电压Uin1=Uin2=20V,工作在开环状态,占空比D=0.50。输入电感L1=L2=1mH,输出滤波电感Lo=2mH,开关电容网络中的电容均取47F,输出滤波电容Co=100F,开关频率fs=100kHz,负载R=610。占空比D=0.50时,变换器的升压比为5。图9为双输入升压变换器分时供电时的仿真波形,其中0~0.3s期间为输入电源1单独工作,0.3~0.6s期间为输入电源2单独工作。图9(a)~(c)给出了变换器中电感L1、L2和Lo的电流波形,当输入电源1工作时,流过电感L1的电流大小为0.85A,而流过电感L2的电流大小为0;当输入电源2工作时,流过电感L1的电流大小为0,而流过电感L2的电流大小为0.85A,验证分时供电的正确性。此外,输入电感L1、L2电流纹波。涑雎瞬ǖ绺蠰o的电流大小为0.17A,电流纹波比前者略大。输入电感电流大小是输出电感电流大小的5倍,与升压比大小5相比较,二者刚好满足变换器的功率守恒原理。图9(d)~(f)给出了开关电容网络中的电容电压和输出电压波形,电容电压大小近似为40V,输出电压接近100V,满足理论计算值,且电容电压和输出电压纹波都较。渲惺涑龅缪刮撇ǜ。

3.2实验研究

为进一步验证双输入升压变换器的工作性能,对该变换器进行了实验研究,采用仿真实验参数,其中开关管S选用IRF640N,二极管均选用肖特基二极管IN5819。图10给出了双输入升压变换器的实验波形,其中,US1、US2分别为开关管S1、S2的端电压,UD11、UD12、UD23分别为二极管D11、D12、D23的反向端电压。图10(a)为输入电源1工作时的实验波形,图10(b)为输入电源2工作时的实验波形,均包括开关管端电压波形、二极管端电压波形、电容电压、输出电压波形(包括其纹波电压波形)以及输入输出电流波形。需要说明的是,开关管端电压是指开关管的漏极与源极之间的电位差,二极管端电压是指二极管的阴极与阳极之间的电位差,为反向端电压。比较图10(a)与图10(b)可知,在相同的工作条件下,输入电源1与输入电源2分时工作的输出效果相同,验证了仿真分析的正确性。此外,该变换器的输出电压稳定,接近100V,为输入电源电压的5倍,纹波大小为2.0V;开关电容网络中的电容电压都为40V,为输入电源电压的2倍,纹波大小为1.5V;2种工作情况下的输入电流波形相近,纹波相对较。笔涑龅缌鞑ㄐ我蚕嘟,但会出现一些小幅度的电流冲击,这是因为开关电容网络中电容的充放电特性引起的。除此之外,还可以看出,在这2种输入电源工作下,开关管和二极管电压应力大小接近40V,即为输入电源电压的1/(1D)倍,电压应力较小。开关管S1和S2由同一信号隔离驱动,当这2个开关管导通时,3个二极管都关断;当这2个开关管关断时,3个二极管都导通。开关管和二极管的工作状态与理论分析一致。

4结语

本文基于开关电容网络提出一种新型双输入升压变换器,通过2个开关电容网络的并联,实现较大的输出电压,同时该变换器具有以下优点:1)升压能力强,控制电路简单;2)输入电流连续且纹波。涑龅缪刮撇ㄐ。3)开关管电压应力。4)电容电压应力。蚨档土硕缘缛莸囊,减小了电路体积和成本;5)输入电源1和输入电源2分别工作时,并联的开关电容网络都参与工作,增大了元器件利用率。此外,利用该双输入升压变换器的构建思想,可以实现基于多个开关电容网络并联的多输入升压变换器。

作者:唐荣波 侯世英 陈剑飞 单位:重庆水利电力职业技术学院 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室

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