CN103296884A - 一种低纹波双输出非隔离升压直流变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低纹波非隔离双输出升压直流变换器及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域。该变换器由一个输入源、两个开关管、两个二极管、三个滤波电感、四个滤波电容和两个负载构成；本发明低纹波非隔离双输出升压直流变换器能够同时提供两个独立可控的负载侧输出电压，两个输出电压的幅值均高于输入源的电压，所有输入和输出端的电流均连续，而且通过两个开关管的交错控制，能够进一步减小输入源侧的电流纹波，本发明特别适合于要求提供多路输出升压型直流变换且要求输入输出电流脉动小的应用场合。

Description

一种低纹波双输出非隔离升压直流变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种低纹波非隔离双输出升压直流变换器及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域。 

背景技术

升压型直流变换器广泛应用于输入电压低于输出电压的应用场合。传统的Boost变换器是最基本的、也是最常用的一种非隔离型升压直流变换器，其结构简单、控制方便，但其存在输出电流断续的缺点，不满足低电压/电流纹波应用场合的需求。为了获得平滑的输出电压/电流，传统Boost变换器的输出端需要配备大容量的电解电容，或者在输出端再额外增加一级LC滤波器，不仅增加了变换器的体积、重量和成本，同时降低了变换器的可靠性。 

此外，在航空航天供电系统等复杂的电力电子系统中，通常需要同时提供多种电压等级的输出电压，因此需要采用多个独立的电力电子变换器。如果能够将多个电力电子变换器加以集成，构成集成的多输出变换器，则可以有效提高系统的功率密度、降低系统的体积、重量和成本。 

发明内容

发明目的： 

本发明针对现有技术的不足，提供一种低纹波非隔离双输出升压直流变换器及其控制方法。 

技术方案： 

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案： 

所述低纹波非隔离双输出升压直流变换器由输入源(U_in)、第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第一电感(L₁)、第二电感(L₂)、第三电感(L₃)、第一电容(C₁)、第二电容(C₂)、第一输出滤波电容(C_o1)、第二输出滤波电容(C_o2)、第一负载(R_o1)和第二负载(R_o2)构成，其中，输入源(U_in)的正极连于第一电感(L₁)的一端和第二电感(L₂)的一端，第一电感(L₁)的另一端分别连于第一开关管(S₁)的漏极和第一二极管(D₁)的阳极，第一开关管(S₁)的源极分别连于第二开关管(S₂)的源极、第一电容(C₁)的一端、第二电容(C₂)的一端和第三电感(L₃)的一端，第一二极管(D₁)的阴极分别连于第一电容(C₁)的另一端、第一输出滤波电容(C_o1)的一端和第一负载(R_o1)的一端，第一输出滤波电容(C_o1)的另一端分别连于第一负载(R_o1)的另一端、第二输出滤波电容(C_o2)的一端、第二负载(R_o2)的一端、第三电感(L₃)的另一端以及输入源(U_in)的负极，第二输出滤波电容(C_o2)的另一端分别连于第二负载(R_o2)的另一端、第二电容(C₂)的另一端以及第二二极管(D₂)的阴极，第二二极管(D₂)的阳极分别连于第二开关管(S₂)的漏极和第二电感(L₂)的另一端。 

所述低纹波非隔离双输出升压直流变换器的控制方法：所述第一开关管(S₁)和第二开关管(S₂)的开关频率相同，通过调节第一开关管(S₁)的占空比来实现第一负载(R_o1)两端电压和电流的控制，通过调节第二开关管(S₂)的占空比来实现第二负载(R_o2)两端电压和电流的控制，在每个开关周期，第一开关管(S₁)的导通时刻和第二开关管(S₂)的导通时刻始终错开半个开关周期。 

本发明具有如下技术效果： 

(1)输入和输出电流均连续，可以满足低电压/电流纹波应用场合的需求； 

(2)能够同时提供两路独立的电压输出，两路电压独立可控、控制方便； 

(3)结构简单、成本低、功率密度高。 

附图说明

附图1是本发明低纹波非隔离双输出升压直流变换器电路原理图； 

附图2是本发明低纹波非隔离双输出升压直流变换器主要工作原理波形图； 

附图3～附图6是本发明低纹波非隔离双输出升压直流变换器在各开关模态下的等效电路图； 

以上附图中的符号名称：U_in为输入源；L₁、L₂和L₃分别为第一、第二和第三电感；C₁和C₂分别为第一和第二电容；C_o1和C_o2分别为第一和第二输出滤波电容；S₁和S₂分别为第一、第二开关管；D₁和D₂分别为第一、第二二极管；R_o1和R_o2分别为第一和第二负载；U_o1和U_o2分别为第一和第二输出电压；i_L1、i_L2和i_L3分别为流经第一、第二和第三电感的电流(电流方向如附图中箭头所示)；i_in为输入电流；u_GS1和u_GS2分别为第一和第二开关管的驱动信号；TS为开关周期；t、t₀、t₁、t₂、t₃和t₄为时间。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。 

如附图1所示，本发明所述低纹波非隔离双输出升压直流变换器由输入源(U_in)、第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第一电感(L₁)、第二电感(L₂)、第三电感(L₃)、第一电容(C₁)、第二电容(C₂)、第一输出滤波电容(C_o1)、第二输出滤波电容(C_o2)、第一负载(R_o1)和第二负载(R_o2)构成，其中，输入源(U_in)的正极连于第一电感(L₁)的一端和第二电感(L₂)的一端，第一电感(L₁)的另一端分别连于第一开关管(S₁)的漏极和第一二极管(D₁)的阳极，第一开关管(S₁)的源极分别连于第二开关管(S₂)的源极、第一电容(C₁)的一端、第二电容(C₂)的一端和第三电感(L₃)的一端，第一二极管(D₁)的阴极分别连于第一电容(C₁)的另一端、第一输出滤波电容(C_o1)的一端和第一负载(R_o1)的一端，第一输出滤波电容(C_o1)的另一端分别连于第一负载(R_o1)的另一端、第二输出滤波电容(C_o2)的一端、第二负载(R_o2)的一端、第三电感(L₃)的另一端以及输入源(U_in)的负极，第二输出滤波电容(C_o2)的另一端分别连于第二负载(R_o2)的另一端、第二电容(C₂)的另一端以及第二二极管(D₂)的阴极，第二二极管(D₂)的阳极分别连于第二开关管(S₂)的漏极和第二电感(L₂)的另一端。 

如附图2所示，所述第一开关管(S₁)和第二开关管(S₂)的开关频率相同，通过调节第一开关管(S₁)的占空比来实现第一负载(R_o1)两端电压和电流的控制，通过调节第二开关管(S₂)的占空比来实现第二负载(R_o2)两端电压和电流的控制，在每个开关周期，第一开关管(S₁)的导通时刻和第二开关管(S₂)的导通时刻始终错开半个开关周期。 

假设所有电感、电容、开关管和二极管都为理想器件，忽略电容所有电容上的电压纹波，则电容C₁和C_o1的电压等于第一输出电压U_o1，电容C₂和C_o2的电压等于第二输出电压U_o2，且电感L₃中的电流为平滑的直流。结合附图2，根据开关管S₁和S₂的开关状态，变换器共有四种可能的开关模态。 

开关模态1[t₀～t₁]：开关管S₁和S₂都开通，等效电路如附图3所示，此时二极管D₁和D₂都关断，电感L₁和L₂的电流变化率满足： 

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}=\frac{U_{\mathrm{in}}}{L_1}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{L2}}{\mathrm{dt}}=\frac{U_{\mathrm{in}}}{L_2}\end{array}\right.---\left(1\right)$

开关模态2[t₁～t₂]：开关管S₁导通、S₂关断，等效电路如附图4所示，此时二极管D₁关断、D₂导通，电感L₁和L₂的电流变化率满足： 

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}=\frac{U_{\mathrm{in}}}{L_1}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{L2}}{\mathrm{dt}}=\frac{U_{\mathrm{in}}-U_{o2}}{L_2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

开关模态3[t₂～t₃]：开关管S₁和S₂都关断，等效电路如附图5所示，此时二极管D₁和D₂都导通，电感L₁和L₂的电流变化率满足： 

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}=\frac{U_{\mathrm{in}}-U_{o1}}{L_1}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{L2}}{\mathrm{dt}}=\frac{U_{\mathrm{in}}-U_{o2}}{L_2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

开关模态4[t₃～t₄]：开关管S₁关断、S₂开通，等效电路如附图6所示，此时二极管D₁导通、D₂关断，电感L₁和L₂的电流变化率满足： 

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}=\frac{U_{\mathrm{in}}-U_{o1}}{L_1}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{L2}}{\mathrm{dt}}=\frac{U_{\mathrm{in}}}{L_2}\end{array}\right.---\left(4\right)$

根据上述工作过程的描述及各开关模态的等效电路可知，电感L₁的电流始终流经第一滤波电容C_o1和第一负载R_o1，即电感L₁的电流连续可以保证第一负载R_o1侧的电流连续，同理，电感L₂的电流连续可以保证第二负载R_o2侧的电流连续。此外，第一开关管S₁和第二开关管S₂交错导通，使得电感L₁和L₂的电流纹波在输入源侧相互抵消，从而可以实现更小的输入电流纹波。 

假设开关管S₁和S₂的占空比分别为d₁和d₂，则根据电感L₁和L₂的伏秒平衡可以得到，输入输出电压关系满足： 

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{o1}=\frac{1}{1-d_1}{U}_{\mathrm{in}}\\ U_{o1}=\frac{1}{1-d_2}{U}_{\mathrm{in}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

由于d₁和d₂可以独立控制，因此调节S₁和S₂的占空比就能够实现任意的输出电压U_o1和U_o2，满足双输出升压功率变换的要求。 

Claims (2)

1.一种低纹波非隔离双输出升压直流变换器，其特征在于：

所述低纹波非隔离双输出升压直流变换器由输入源(U_in)、第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第一电感(L₁)、第二电感(L₂)、第三电感(L₃)、第一电容(C₁)、第二电容(C₂)、第一输出滤波电容(C_o1)、第二输出滤波电容(C_o2)、第一负载(R_o1)和第二负载(R_o2)构成，其中，输入源(U_in)的正极连于第一电感(L₁)的一端和第二电感(L₂)的一端，第一电感(L₁)的另一端分别连于第一开关管(S₁)的漏极和第一二极管(D₁)的阳极，第一开关管(S₁)的源极分别连于第二开关管(S₂)的源极、第一电容(C₁)的一端、第二电容(C₂)的一端和第三电感(L₃)的一端，第一二极管(D₁)的阴极分别连于第一电容(C₁)的另一端、第一输出滤波电容(C_o1)的一端和第一负载(R_o1)的一端，第一输出滤波电容(C_o1)的另一端分别连于第一负载(R_o1)的另一端、第二输出滤波电容(C_o2)的一端、第二负载(R_o2)的一端、第三电感(L₃)的另一端以及输入源(U_in)的负极，第二输出滤波电容(C_o2)的另一端分别连于第二负载(R_o2)的另一端、第二电容(C₂)的另一端以及第二二极管(D₂)的阴极，第二二极管(D₂)的阳极分别连于第二开关管(S₂)的漏极和第二电感(L₂)的另一端。

2.一种基于权利要求1所述的低纹波非隔离双输出升压直流变换器的控制方法，其特征在于：所述第一开关管(S₁)和第二开关管(S₂)的开关频率相同，通过调节第一开关管(S₁)的占空比来实现第一负载(R_o1)两端电压和电流的控制，通过调节第二开关管(S₂)的占空比来实现第二负载(R_o2)两端电压和电流的控制，在每个开关周期，第一开关管(S₁)的导通时刻和第二开关管(S₂)的导通时刻始终错开半个开关周期。

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