CN103490621B - 一种宽增益buck-boost变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽增益buck-boost变换器，主要包括一个功率开关管，两个功率电感，一个中间储能电容，一个输出电容，和三个二极管。本发明工作时利用电感-电容-二极管网络的内在特性，开关管关断时，第二功率电感给中间储能电容充电，第一功率电感向负载放电，当开关管导通时，中间储能电容和输入电源同时给第一功率电感充电，从而升高输出电压，结合传统buck-boost电路的原有特性实现变换器输出电压增益的拓展。

Description

一种宽增益buck-boost变换器

技术领域

本发明涉及电力电子变换器技术领域，具体涉及一种宽增益buck-boost变换器。

背景技术

随着生活和工业的发展，对电力电子变换器的要求越来越高，同时具有升压和降压功能的buck-boost变换器在越来越多的场合得到了不同程度的应用。但是传统的buck-boost变换器由于其固有特性，输出电压的变化范围较小，通常输出电压只能在输入电压的0～9倍内变化。在低压输入高电压输出的场合，如太阳能发电系统和燃料电池系统，传统buck-boost变换器变得不再适用。为了扩大传统buck-boost变换器的适用范围，有必要通过技术改进实现其输出电压变化范围的拓展。通过级联的方法可以实现上述目标但是会带来开关管数量增加、系统稳定性降低和效率下降等不足。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种宽增益buck-boost变换器。

本发明通过如下技术方案实现：

一种宽增益buck-boost变换器，主要包括输入电源、开关管、第一功率电感、第二功率电感、一个中间储能电容、一个输出电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管和负载。

所述开关管的漏极与输入电源的正极连接；

所述开关管的源极分别与第一功率电感的一端、第一二极管的阳极和第三二极管的阴极连接；

所述第一功率电感的另一端分别与中间储能电容的一端和第二二极管的阳极连接；

所述第一二极管的阴极分别与第二二极管的阴极和第二功率电感的一端连接；

所述第三二极管的阳极分别与输出电容的一端和负载的一端连接；

所述中间储能电容的另一端、第二功率电感的另一端、输出电容的另一端和负载的另一端与输入电源的负极连接。

所述第一二极管、第二二极管、第三二极管均为快恢复二极管。

与现有技术相比本发明具有如下优点：

本发明无需额外的功率开关管，结构简单，控制方便；本发明工作时利用电感-电容-二极管网络的内在特性，开关管关断时，第二功率电感给中间储能电容充电，第一功率电感向负载放电，当开关管导通时，中间储能电容和输入电源同时给第一功率电感充电，从而升高输出电压，结合传统buck-boost电路的原有特性实现变换器输出电压增益的拓展。

附图说明

图1是本发明所述的一种宽增益buck-boost变换器的实施例的电路图；

图2a、图2b分别是图1所示电路图在一个开关周期内的主要工作模态图。其中图2a是工作模态1的电路图，图2b是工作模态2的电路图。图中实线表示变换器中有电流流过的部分，虚线表示变换器中没有电流流过的部分；

图3是本发明所述变换器与传统buck-boost变换器的增益对比曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，宽增益buck-boost变换器主要包括输入电源V_g、开关管S，第一功率电感L₁和第二功率电感L₂，中间储能电容C₁，输出电容C₂，第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃和负载R。

所述开关管S的漏极与输入电源V_g的正极连接；

所述开关管S的源极分别与第一功率电感L₁的一端、第一二极管D₁的阳极和第三二极管D₃的阴极连接；

所述第一功率电感L₁的另一端分别与中间储能电容C₁的一端和第二二极管D₂的阳极连接；

所述第一二极管D₁的阴极分别与第二二极管D₂的阴极和第二功率电感L₂的一端连接；

所述第三二极管D₃的阳极分别与输出电容C₂的一端和负载R的一端连接；

所述中间储能电容C₁的另一端、第二功率电感L₂的另一端、输出电容C₂的另一端和负载R的另一端与输入电源V_g的负极连接。

如图2a和图2b所示，一种宽增益buck-boost变换器在一个周期内主要有2个工作模态，分别描述如下：

工作模态1：

如图2a所示，开关管S开通，第一二极管D₁导通，第二二极管D₂和第三二极管D₃截止。输入电源V_g和中间储能电容C₁共同给第一功率电感L₁充电，同时输入电源V_g单独给第二功率电感L₂充电，第一功率电感L₁和第二功率电感L₂储能，中间储能电容C₁释放能量。输出电容C₂给负载R提供能量。

此工作模态下，相关电气参数关系式为：

V_L1＝V_g+V_C1（1）

V_L2＝V_g（2）

其中，V_g表示输入电源电压，V_L1表示第一功率电感L₁在此工作模态下的两端电压，V_L2表示第二功率电感L₂在此工作模态下的两端电压，V_C1表示中间储能电容C₁两端电压。

工作模态2：

如图2b所示，开关管S关断，第二二极管D₂和第三二极管导通D₃，第一二极管D₁截止。第二功率电感L₂经第二二极管D₂向中间储能电容C₁释放能量，中间储能电容C₁储能，第一功率电感L₁经第三二极管D₃续流，向输出端释放能量，输出电容C₂储能。

此工作模态下，相关电气参数关系式为：

V′_L1＝V_o-V_C1（3）

V′_L2＝V_C1（4）

其中，V_o表示输出电压，V′_L1表示第一电感L₁在此工作模态下的两端电压，V′_L2表示第二电感L₂在此工作模态下的两端电压。

变换器稳定工作时电压增益分析：

设开关管工作的开关周期为T_s，占空比为D，即工作模态1持续时间为DT_s，工作模态2持续时间为(1-D)T_s。根据电感伏秒平衡特性，可得：

V_L1DT_s＝V′_L1(1-D)T_s（5）

V_L2DT_s＝V′_L2(1-D)T_s（6）

联立式（1）～式（6）可得：

$V_o=\frac{{2D-D}^2}{{(1-D)}^2}{V}_d$

由此可以开出，本发明所述的一种宽增益buck-boost变换器的电压增益M为：

$M=\frac{V_o}{V_d}=\frac{{2D-D}^2}{{(1-D)}^2}$

如图3所示，当占空比D在0～0.8范围内变化时，传统buck-boost变换器的增益只能在0～4范围内变化，即输出电压只能为输入电压的0～4倍，而本发明所述的变换器的增益可以在0～24范围内变化，输出电压最高可以达到输入电压的24倍，大幅拓展了传统buck-boost变换器的增益。

与现有技术相比本发明具有如下优点：

本发明无需额外的功率开关管，结构简单，控制方便；

本发明工作时利用电感-电容-二极管网络的内在特性，开关管S关断时，第二功率电感给L₂中间储能电容C₁充电，第一功率电感L₁向负载R放电，当开关管S导通时，中间储能电容C₁和输入电源V_g同时给第一功率电感L₁充电，从而升高输出电压，结合传统buck-boost电路的原有特性实现变换器输出电压增益的拓展。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种宽增益buck-boost变换器，其特征在于：主要包括输入电源（V_g）、开关管（S）、第一功率电感（L₁）、第二功率电感（L₂）、中间储能电容（C₁）、输出电容（C₂）、第一二极管（D₁）、第二二极管（D₂）、第三二极管（D₃）和负载（R）；

所述开关管（S）的漏极与输入电源（V_g）的正极连接；

所述开关管（S）的源极分别与第一功率电感（L₁）的一端、第一二极管（D₁）的阳极和第三二极管（D₃）的阴极连接；

所述第一功率电感（L₁）的另一端分别与中间储能电容（C₁）的一端和第二二极管（D₂）的阳极连接；

所述第一二极管（D₁）的阴极分别与第二二极管（D₂）的阴极和第二功率电感（L₂）的一端连接；

所述第三二极管（D₃）的阳极分别与输出电容（C₂）的一端和负载（R）的一端连接；

所述中间储能电容（C₁）的另一端、第二功率电感（L₂）的另一端、输出电容（C₂）的另一端和负载（R）的另一端与输入电源（V_g）的负极连接。

2.根据权利要求1所述的一种宽增益buck-boost变换器，其特征在于：所述第一二极管（D₁）、第二二极管（D₂）、第三二极管（D₃）均为快恢复二极管。