单级交直流升压变换器使用boost和buckboost变换器

Kumar K¹， S.V. Sivanagaraju²， Rajasekharachari k^3.

Sri Venkateswara工程学院EEE系研究生。科技，Chittoor, ap，印度
Sri Venkateswara工程学院EEE系副教授。科技，Chittoor, ap，印度
Sri Venkateswara工程学院EEE系研究生。科技，Chittoor, ap，印度

摘要

本文介绍了一种单级交直流升压功率变换器，该变换器避免了电桥整流，直接将低的交流输入电压以更高的效率转换为所需的高直流输出电压。为了实现交直流转换，我们需要一个桥式整流器和升压变换器来提高直流输出电压以满足负载需求。这种两段转换过程由于存在较多的no，增加了变换器的成本，降低了变换器的效率。半导体器件。该变换器由升压变换器和降压-升压变换器并联组成。升压变换器工作在正半周期，降压-升压变换器工作在负半周期。因此，在单级转换中，我们从低交流输入电压获得高直流输出电压。利用MATLAB软件对该转换器进行了设计。

关键字

交直流变换器，升压变换器，降压-升压变换器。

介绍

电力电子学可以定义为固态电力半导体器件(晶闸管)在电力控制和转换方面的应用。根据我们的要求，我们可以使用这种电力电子器件来控制和转换电力。

答:整流器

整流器是一种将交流电(AC)周期性地反向转换为直流电(DC)的电气设备，直流电流只在一个方向流动，这一过程称为整流。整流器有很多用途，包括作为电源的组件和无线电信号的探测器。整流器可以由固态二极管、真空管二极管、汞弧阀和其他组件制成。执行相反功能(将直流转换为交流)的设备称为逆变器。当只有一个二极管用于整流交流(通过阻塞波形的负或正部分)，术语二极管和术语整流之间的区别只是一个用法，即整流术语描述了一个二极管，被用来将AC转换为DC。几乎所有的整流器都包括一些二极管在一个特定的安排更有效地转换交流电到直流电比可能只有一个二极管。在硅半导体整流器发展之前，真空管二极管和铜(I)氧化物或硒整流堆被使用。

B.升压变换器

图1中的原理图显示了基本升压变换器。当需要输出电压高于输入电压时，使用这种电路。当晶体管是ON Vx =Vin，和OFF状态时，电感电流流过二极管，给出Vx =Vo。

在此分析中，假定电感电流始终保持流动(连续传导)。电感两端的电压如图2所示，平均电流必须为零才能保持稳定状态

由于占空比“D”在0和1之间，输出电压必须始终高于输入电压的幅度。负号表示输出电压感反转。

C.降压升压变换器

当晶体管开时，Buck-Boost转换器的Vx =Vin连续导通，当晶体管关时，Vx =Vo。如果一段时间内净电流变化为零，则感应器上的平均电压为零。

哪个给出了电压比

和相应的电流

由于占空比“D”在0和1之间，输出电压可以在低于或高于输入电压的幅度之间变化。负号表示输出电压感反转。

系统概述

图5所示为常规两级法微型发电机输出作为二极管桥式整流器的输入，整流器将交流转换为直流并存储在电容器中。现在，直流输出作为输入给功率变换器，从而提高输入电压。随着级数的增加，损失也随之增加，变换器效率也随之降低。

为了克服上述缺点，提出了一种单级交直流升压变换器，如图6所示，该变换器由升压变换器和降压升压变换器并联组成。升压变换器工作在正半周期，降压-升压变换器工作在负半周期。

提出了转换器

提出了一种直接交直流变换器。所提出的转换器如图7所示，由升压转换器(电感L1、开关S1和二极管D1)与降压-升压转换器(电感L2、开关S2和二极管D2)并联组成。在该变换器中，利用降压-升压变换器的负输出到输入电压增益，将微型发电机的负半输入电压提升到正的高直流输出电压。

输出直流母线采用单电容实现。输出电容在正半周期由升压变换器充电，在负半周期由降压-升压变换器充电。因此，它解决了双极性升压变换器中存在的问题。

标准的4开关h桥变换器或2开关h桥变换器，分别如图8(a)和(b)所示，可用于直接交直流升压转换。可以注意到，为了实现升压操作，这两个转换器的下开关(S1和S2)应该能够在两个方向上进行。在这种情况下，无需增加器件数量，就可以利用两个mosfet (S1和S2)的双向传导能力来实现升压操作。在输入电压的正半周期内，S2在整个半周期内保持ON状态，控制对S1的门脉冲以实现升压操作。同样，在负半周期中，S1在整个半周期内保持ON状态，S2受控。为了实现升压操作，这两种拓扑结构使用了单个电感，而本研究中所提出的转换器使用了两个电感(见图7)。然而，这两个h桥转换器有几个缺点。首先，在这些转换器中，在升压电感的充电或放电过程中，传导路径中有两个器件。

在所提出的转换器中，在电感器的充电或放电期间，只有一个器件导电。在本文提出的转换器中，任何MOSFET仅在输入交流电压的半个周期内工作，而在h桥型转换器中，用于升压操作(S1和S2)的MOSFET在输入交流电压的整个周期内工作。因此，所提出的转换器中的器件传导损耗降低了两倍以上。在能量收集应用中，由于功率水平非常低，这些损失与总输出功率相比是显著的。

其次，由于mosfet是为正向传导而设计的，在反向传导模式下，它们提供了更高的导通态电阻。

这进一步增加了h桥拓扑结构中的传导损失。第三，必须感知输入电压极性以控制S1和S2，但在h桥拓扑中，输入电压源相对于输出电压地是浮动的。因此，控制电路的实现难度较大。这可以在提议的转换器中轻松实现。此外，可以提到的是，尽管所提出的转换器使用了两个电感器(L1和L2)，但它们并不在同一个半周期内工作。因此，它们的总损耗几乎等于h桥变换器中使用的单个电感的损耗。

模拟电路

所提出的直接交直流功率调节电路如图9所示，由一个升压变换器和一个降压-升压变换器并联组成。该变换器的输出电容C分别在正弦交流输入电压(vi)的正半周期和负半周期内由升压变换器(包括电感L1、开关S1和二极管D1)和降压升压变换器(包括电感L2、开关S2和二极管D2)充电。利用n通道mosfet实现S1和S2开关。可以注意到，mosfet受到微型发电机交流输出的反向电压。为了阻断反向传导，mosfet主体二极管的正向压降被选择为高于输入交流电压的峰值。

两个具有低正向压降的斯科特二极管(D1和D2)用于升压和降压-升压转换电路，以降低二极管的损耗。可以提到的是，二极管可以被mosfet取代，以进一步提高转换器的效率。

该变换器在不连续工作模式(DCM)下工作。这减少了开关打开和关闭的损失。DCM操作还减少了升压和降压-升压转换器二极管的反向恢复损耗。

此外，DCM操作使控制方案易于实现。可以注意到，在恒占空比DCM工作时，每个开关周期的输入电流与输入电压成正比;因此，整体输入电流将与微型发电机输出电压同相。变换器的运行主要分为四种模式。模式1和模式2用于升压变换器在输入电压正半周期内的工作。在模式1下，升压开关S1是ON的，升压电感中的电流建立。在模式2期间，开关被关闭，输出电容被充电。另外两种模式:Mode-3和Mode-4是在输入电压的负半周期内用于降压-升压变换器的工作。在模式3下，降压升压开关S2是ON的，并且电流在降压升压电感构建中。在模式4期间，降压升压开关S2被关闭，降压升压电感的存储能量被放电到输出电容器。

仿真结果

输入电压的正半周由升压变换器(电感L1、开关S1、二极管D1)控制，负半周由降压升压变换器(电感L2、开关S2、二极管D2)控制。输出直流母线采用单电容实现。输出电容在正半周期由升压变换器充电，在负半周期由降压-升压变换器充电。结果，我们得到了一个阶跃的直流输出电压如图12所示。

结论

在MATLAB- Simulink中设计了单级交直流升压变换器。避免了常规的桥式精馏，提高了效率。该变换器由升压变换器和降压-升压变换器并联组成。输出直流母线采用单电容实现。输出电容在正半周期由升压变换器充电，在负半周期由降压-升压变换器充电。因此，它解决了双极性升压变换器中存在的问题。该转换器使用两个电感器(L1和L2)，它们不在同一个半周期内工作。因此，它们的总损耗几乎等于h桥变换器中使用的单个电感的损耗。由于该变换器的开关数量较少，且交流转直流转换和输入电压升压均为单级，从而降低了开关损耗和转换损耗，从而得到了一种高效的单级交流转直流升压变换器。在此基础上，提出了一种适用于高压升压的简化单级交直流升压变换器。

参考文献

J. A. Paradiso和T. Starner，“移动和无线电子设备的能量清除”，IEEE普适计算。，第4卷，no。1月/ 3月，第18-27页2005.
S. Meninger, J. O. mer - miranda, R. Amirtharajah, A. P. Chandrakasan，和J. H. Lang，“振动电能转换”，IEEE Trans。超大规模积分。系统。，vol. 9, no. 1, pp. 64–76, Feb. 2001.
M. El-Hami, P. Glynne-Jones, N. M. White, M. Hill, S. Beeby, E. James, a . D. Brown和J. N. Ross，“基于振动的新型机电发电机的设计和制造”，传感器执行器a:物理。《中华人民共和国学报》，2001,vol. 92, pp. 335-342。
T. M. Thul, S. Dwari, R. D. Lorenz和L. Parsa，“从人类活动中收集能量和高效发电”，在《电力电子研究中心》中。系统。Semin (cp)。，Apr. 2007, pp. 452–456.
刘国强，“振动能量收集研究”，《声学与声学学报》，vol. 29, pp. 439 - 439, 2006.[6]J. R. Amirtharajah和A. P. Chandrakasan，“基于振动发电的自供电信号处理”，IEEE J.固体电路，第33卷，no. 1。5，第687-695页，1998年5月。
B. H. Stark, P. D. Mitcheson, M. Peng, T. C. Green, E. Yeatman，和A. S. Holmes，“微型功率静电发电机的转换器电路设计，半导体器件选择和分析”，IEEE, 2013。电力电子。，第21卷，no。1，页27-37,2006年1月。