本發(fā)明涉及電力電子變換器的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種基于開(kāi)關(guān)電容單元的多輸入高增益Z源變換器。

背景技術(shù)：

隨著工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，多輸入、高增益、大功率的變換器對(duì)電能生產(chǎn)和變換發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。近年來(lái)提出的Z源變換器拓?fù)淠軌蛟诘驼伎毡葘?shí)現(xiàn)電壓增益的提升，但提升能力有限。尤其是傳統(tǒng)的非隔離型Z源變換器受到寄生參數(shù)等因素的影響，即使占空比接近0.5，其實(shí)際的輸出電壓增益不能達(dá)到預(yù)期的輸出效果。同時(shí)，在光伏發(fā)電中，由于單個(gè)太陽(yáng)能電池輸出的直流電壓較低，無(wú)法滿足現(xiàn)有用電設(shè)備的需求，也不能滿足并網(wǎng)電壓的要求，往往通過(guò)多個(gè)電池串聯(lián)來(lái)獲得較大的電壓。這種方法需要解決串聯(lián)均壓等問(wèn)題，并且一個(gè)電池故障還可能導(dǎo)致整體的癱瘓，降低了電路運(yùn)行的可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺點(diǎn)，提供了一種基于開(kāi)關(guān)電容單元的多輸入高增益Z源變換器，適用于需要多輸入和高增益的電力電子電路。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為：一種基于開(kāi)關(guān)電容單元的多輸入高增益Z源變換器，所述Z源變換器包括第一電源、第二電源、第三電源、第四電源、第五電源、第一電感、第二電感、第一電容、第二電容、第三電容、第一二極管、第二二極管、開(kāi)關(guān)管、負(fù)載及n個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元，n為1、2、3…n，當(dāng)n大于或等于2時(shí)，該n個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元在輸出端級(jí)聯(lián)，開(kāi)關(guān)電容單元由第2n+2電容、第2n+3電容、第2n+1二極管和第2n+2二極管構(gòu)成為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，其中，第2n+2電容的負(fù)極引出a號(hào)端子，第2n+1二極管的陽(yáng)極和第2n+3電容的負(fù)極連接，并引出b號(hào)端子，第2n+2電容的正極、第2n+1二極管的陰極和第2n+2二極管的陽(yáng)極連接，并引出c號(hào)端子，第2n+3電容的正極和第2n+2二極管的陰極連接，并引出d號(hào)端子；

所述第一電源的正極和第一二極管的陽(yáng)極連接，其負(fù)極分別與第二電容的負(fù)極和第二電感的一端連接；所述第一二極管的陰極分別與第一電感的一端和第一電容的正極連接；所述第二電源的負(fù)極和第一電感的另一端連接，其正極分別與第二電容的正極、第五電源的負(fù)極連接；當(dāng)n等于1時(shí)，所述第五電源的正極分別與開(kāi)關(guān)管的漏極、第二二極管的陽(yáng)極和開(kāi)關(guān)電容單元的a號(hào)端子連接，所述第三電源的負(fù)極分別與開(kāi)關(guān)管的源極、第三電容的負(fù)極和負(fù)載的一端連接，其正極分別與第一電容的負(fù)極和第四電源的負(fù)極連接，所述第四電源的正極與第二電感的另一端連接，所述第二二極管的陰極分別與第三電容的正極和開(kāi)關(guān)電容單元的b號(hào)端子連接，該開(kāi)關(guān)電容單元的d號(hào)端子與負(fù)載的另一端連接；當(dāng)n大于或等于2時(shí)，第二個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元與第一個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元級(jí)聯(lián)，即第二個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元的a號(hào)端子、b號(hào)端子分別與第一個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元的c號(hào)端子、d號(hào)端子連接，以此類推，直至第n個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元的a號(hào)端子、b號(hào)端子分別與第n-1個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元的c號(hào)端子、d號(hào)端子連接，第n個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元的d號(hào)端子與負(fù)載的另一端連接；

其中，在單個(gè)輸入的情況下，所述Z源變換器只需要一個(gè)電源，其他電源短接或輸入值為零，即第一電源、第二電源、第三電源、第四電源和第五電源中保留任意一個(gè)電源作為輸入，而其他四個(gè)電源短接或輸入值為零；同理，在雙輸入的情況下，所述Z源變換器只需要兩個(gè)電源，其他電源短接或輸入值為零，即第一電源、第二電源、第三電源、第四電源和第五電源中保留任意兩個(gè)電源作為輸入，而其他三個(gè)電源短接或輸入值為零；同理，在三輸入的情況下，所述Z源變換器只需要三個(gè)電源，其他電源短接或輸入值為零，即第一電源、第二電源、第三電源、第四電源和第五電源中保留任意三個(gè)電源作為輸入，而其他兩個(gè)電源短接或輸入值為零；同理，在四輸入的情況下，所述Z源變換器只需要四個(gè)電源，其他電源短接或輸入值為零，即第一電源、第二電源、第三電源、第四電源和第五電源中保留任意四個(gè)電源作為輸入，而其他電源短接或輸入值為零；同理，在五輸入的情況下，所述Z源變換器第一電源、第二電源、第三電源、第四電源和第五電源均保留。

所述第一電源和第一二極管依次串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)支路，在同一個(gè)支路內(nèi)，第一電源和第一二極管的位置能夠交換，但依據(jù)電流的流向必須是第一電源的正極串聯(lián)第一二極管的陽(yáng)極，或第一二極管的陰極串聯(lián)第一電源的負(fù)極；第二電源和第一電感依次串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)支路，在同一個(gè)支路內(nèi)，第二電源和第一電感的位置能夠交換，但依據(jù)電流的流向必須是第一電感的另一端串聯(lián)第二電源的負(fù)極，或第二電源的正極串聯(lián)第一電感的一端；第四電源與第二電感的依次串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)支路，在同一個(gè)支路內(nèi)，第四電源和第二電感的位置能夠交換，但依據(jù)電流的流向必須是第四電源的正極串聯(lián)第二電感的另一端，或第二電感的一端串聯(lián)第四電源的負(fù)極。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果：

1、本發(fā)明只用了一個(gè)開(kāi)關(guān)管，可以通過(guò)多個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元的延展來(lái)實(shí)現(xiàn)了極高的電壓增益，降低了二極管和開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力。

2、本發(fā)明提供了多個(gè)電源輸入接口，在新能源等領(lǐng)域具有重要的意義。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所述多輸入高增益Z源變換器的電路原理圖。

圖2a、圖2b分別是本發(fā)明所述多輸入高增益Z源變換器在開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通和關(guān)斷中兩個(gè)主要階段的等效電路圖。圖中實(shí)線表示變換器中有電流流過(guò)的部分，拓?fù)渲械奶摼€表示變換器中無(wú)電流流過(guò)的部分。

圖3是本發(fā)明電路仿真的主要工作波形圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

參見(jiàn)圖1所示，本實(shí)施例所提供的多輸入高增益Z源變換器，包括第一電源V_i1、第二電源V_i2、第三電源V_i3、第四電源V_i4、第五電源V_i5、第一電感L₁、第二電感L₂、第一電容C₁、第二電容C₂、第三電容C₃、第一二極管D₁、第二二極管D₂、開(kāi)關(guān)管S、負(fù)載R及n個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元，n為1、2、3…n，當(dāng)n大于或等于2時(shí)，該n個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元在輸出端級(jí)聯(lián)，開(kāi)關(guān)電容單元由第2n+2電容C_2n+2、第2n+3電容C_2n+3、第2n+1二極管D_2n+1和第2n+2二極管D_2n+2構(gòu)成為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，其中，第2n+2電容C_2n+2的負(fù)極引出a號(hào)端子，第2n+1二極管D_2n+1的陽(yáng)極和第2n+3電容C_2n+3的負(fù)極連接，并引出b號(hào)端子，第2n+2電容C_2n+2的正極、第2n+1二極管D_2n+1的陰極和第2n+2二極管D_2n+2的陽(yáng)極連接，并引出c號(hào)端子，第2n+3電容C_2n+3的正極和第2n+2二極管D_2n+2的陰極連接，并引出d號(hào)端子。

所述第一電源V_i1的正極和第一二極管D₁的陽(yáng)極連接，其負(fù)極分別與第二電容C₂的負(fù)極和第二電感L₂的一端連接；所述第一二極管D₁的陰極分別與第一電感L₁的一端和第一電容C₁的正極連接；所述第二電源V_i2的負(fù)極和第一電感L₁的另一端連接，其正極分別與第二電容C₂的正極、第五電源的負(fù)極V_i5連接；當(dāng)n等于1時(shí)，所述第五電源V_i5的正極分別與開(kāi)關(guān)管S的漏極、第二二極管D₂的陽(yáng)極和開(kāi)關(guān)電容單元X₁中的a號(hào)端子連接，所述第三電源V_i3的負(fù)極分別與開(kāi)關(guān)管S的源極、第三電容C₃的負(fù)極和負(fù)載R的一端連接，其正極分別與第一電容C₁的負(fù)極和第四電源V_i4的負(fù)極連接，所述第四電源V_i4的正極與第二電感L₂的另一端連接，所述第二二極管D₂的陰極分別與第三電容C₃的正極和開(kāi)關(guān)電容單元X₁的b號(hào)端子連接，該開(kāi)關(guān)電容單元X₁的d號(hào)端子與負(fù)載R的另一端連接；當(dāng)n大于或等于2時(shí)，第二個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元X₂與第一個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元X₁級(jí)聯(lián)，即第二個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元X₂的a號(hào)端子、b號(hào)端子分別與第一個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元X₁的c號(hào)端子、d號(hào)端子連接，以此類推，直至第n個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元X_n的a號(hào)端子、b號(hào)端子分別與第n-1個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元X_n-1的c號(hào)端子、d號(hào)端子連接，第n個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元X_n的d號(hào)端子與負(fù)載R的另一端連接。

在單個(gè)輸入的情況下，所述Z源變換器只需要一個(gè)電源，其他電源短接或輸入值為零，即第一電源V_i1、第二電源V_i2、第三電源V_i3、第四電源V_i4和第五電源V_i5中保留任意一個(gè)電源作為輸入，而其他四個(gè)電源短接或輸入值為零；同理，在雙輸入的情況下，所述Z源變換器只需要兩個(gè)電源，其他電源短接或輸入值為零，即第一電源V_i1、第二電源V_i2、第三電源V_i3、第四電源V_i4和第五電源V_i5中保留任意兩個(gè)電源作為輸入，而其他三個(gè)電源短接或輸入值為零；同理，在三輸入的情況下，所述Z源變換器只需要三個(gè)電源，其他電源短接或輸入值為零，即第一電源V_i1、第二電源V_i2、第三電源V_i3、第四電源V_i4和第五電源V_i5中保留任意三個(gè)電源作為輸入，而其他兩個(gè)電源短接或輸入值為零；同理，在四輸入的情況下，所述Z源變換器只需要四個(gè)電源，其他電源短接或輸入值為零，即第一電源V_i1、第二電源V_i2、第三電源V_i3、第四電源V_i4和第五電源V_i5中保留任意四個(gè)電源作為輸入，而其他電源短接或輸入值為零；同理，在五輸入的情況下，所述Z源變換器第一電源V_i1、第二電源V_i2、第三電源V_i3、第四電源V_i4和第五電源V_i5均保留。

參見(jiàn)圖2a、圖2b所示，給出了開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通和關(guān)斷中兩個(gè)主要階段的等效電路，結(jié)合圖2a、圖2b，本實(shí)施例上述多輸入高增益Z源變換器的工作過(guò)程如下：

階段1，如圖2a：開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通，此時(shí)第一二極管D₁和第二二極管D₂關(guān)斷，第n個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元X_n中的第2n+2二極管D_2n+2關(guān)斷，第n個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元X_n中的第2n+1二極管D_2n+1導(dǎo)通；電路中形成多個(gè)回路，分別是：第二電源V_i2、第三電源V_i3、第五電源V_i5和第一電容C₁對(duì)第一電感L₁充電；第三電源V_i3、第四電源V_i4、第五電源V_i5和第二電容C₂對(duì)第二電感L₂充電；第三電容C₃、第五電容C₅……第2n+3電容C_2n+3分別通過(guò)第三二極管D₃、第五二極管D₅……第2n+3二極管D_2n+3對(duì)第四電容C₄、第六電容C₆……第2n+2電容C_2n+2充電，同時(shí)給負(fù)載R供電。

階段2，如圖2b：開(kāi)關(guān)S關(guān)斷，此時(shí)第一二極管D₁和第二二極管D₂導(dǎo)通，第n個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元X_n中的第2n+2二極管D_2n+2導(dǎo)通，第n個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元X_n中的第2n+1二極管D_2n+1關(guān)斷；電路中形成多個(gè)回路，分別是：第一電源V_i1、第二電源V_i2和第一電感L₁通過(guò)第一二極管D₁對(duì)第二電容C₂充電；第一電源V_i1、第四電源V_i4和第二電感L₂通過(guò)第一二極管D₁對(duì)第一電容C₁充電；第一電源V_i1、第二電源V_i2、第三電源V_i3、第四電源V_i4、第五電源V_i5、第一電感L₁、第二電感L₂、第四電容C₄、第六電容C₆……第2n+2電容C_2n+2分別通過(guò)第二二極管D₂、第四二極管D₄……第2n+2二極管D_2n+2對(duì)第三電容C₃、第五電容C₅……第2n+3電容C_2n+3充電，同時(shí)給負(fù)載R供電。

綜上情況，設(shè)電路中總共有n個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元。一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，設(shè)開(kāi)關(guān)管占空比為q，設(shè)第一電感L₁和第二電感L₂的電壓分別為v_L1、v_L2，設(shè)第i電容的電壓為v_Ci(i＝1,2,.......2n+2,2n+3)，設(shè)輸出電壓為V_o，得出以下電壓增益的推導(dǎo)過(guò)程。

開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通期間，對(duì)應(yīng)階段1所述的工作情形，因此有如下公式：

v_L1＝v_C1+V_i2+V_i3+V_i5 (1)

v_L2＝v_C2+V_i3+V_i4+V_i5 (2)

對(duì)于第n個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元上的電容電壓與相鄰部分的電容電壓有如下關(guān)系：

v_C(2k+1)＝v_C(2k+2)(k＝1,2···n-1,n) (3)

開(kāi)關(guān)管S關(guān)斷期間，對(duì)應(yīng)階段2所述的工作情形，因此有如下公式：

v_L1＝V_i1+V_i2-v_C2 (4)

v_L2＝V_i1+V_i4-v_C1 (5)

v_C3＝v_C1+v_C2-V_i1+V_i3+V_i5 (6)

V_o＝v_C3+v_C5+v_C7+···+v_C(2n+3) (7)

對(duì)于第n個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元上的電容電壓有如下關(guān)系：

v_C(2k+2)＝v_C(2k+3)(k＝1,2···n-1,n) (8)

由以上分析，根據(jù)電感的伏秒特性，有，

對(duì)于第一電感L₁：

(v_C1+V_i2+V_i3+V_i5)q+(V_i1+V_i2-v_C2)(1-q)＝0 (9)

對(duì)于第二電感L₂：

(v_C2+V_i3+V_i4+V_i5)q+(V_i1+V_i4-v_C1)(1-q)＝0 (10)

聯(lián)立式子(3)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)，可得到該電路的輸出電壓表達(dá)式為：

由式子(11)可知，本發(fā)明提出的基于開(kāi)關(guān)電容單元的多輸入高增益Z源變換器，電源的位置不會(huì)影響輸出電壓的權(quán)值，第一電源、第二電源、第三電源、第四電源和第五電源均能實(shí)現(xiàn)電壓增益為其中n為開(kāi)關(guān)電容單元的數(shù)目。相對(duì)于傳統(tǒng)的Z源電路，本發(fā)明具有很良好的延展性能，能夠通過(guò)改變開(kāi)關(guān)電容單元的數(shù)目來(lái)改變輸出電壓增益，在占空比q小于0.5的情況下，能實(shí)現(xiàn)較大的電壓增益。同時(shí)，本發(fā)明能夠大幅度降低開(kāi)關(guān)管和二極管的電壓應(yīng)力，電壓應(yīng)力僅為

例如，第一電源V_i1＝1V，第二電源V_i2＝2V，第三電源V_i3＝3V，第四電源V_i4＝4V，第五電源V_i5＝5V，占空比q＝0.3，采用一個(gè)開(kāi)關(guān)電容單元n＝1的情況下，由式子(11)得到的輸出電壓的理論分析結(jié)果為V_o＝75V。圖3所示對(duì)應(yīng)參數(shù)下的仿真波形圖，可以看出輸出電壓的仿真結(jié)果也接近75V，能實(shí)現(xiàn)較大的電壓增益。本發(fā)明可以通過(guò)延展開(kāi)關(guān)電容單元的數(shù)目進(jìn)一步增大電壓增益。同時(shí)，本發(fā)明在多個(gè)位置放置電源，克服了新能源領(lǐng)域由于電源分布位置的不一致所引發(fā)的問(wèn)題，具有較高的價(jià)值，值得推廣。

以上所述實(shí)施例只為本發(fā)明之較佳實(shí)施例，并非以此限制本發(fā)明的實(shí)施范圍，故凡依本發(fā)明之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。