CN103633833B - 一种单管Boost-Buck-Boost变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单管Boost‑Buck‑Boost变换器。本发明以直流电源（V_in）、开关管（S）、第一二极管（D1）、第三二极管（D3）和第一电容（C1）构成输入Boost变换器，以第一电容（C1）、开关管（S）、第二二极管（D2）、第二电容（C2）和负载（R）构成输出Buck‑Boost变换器。仅使用一个开关管（S）实现Boost变换器和Buck‑Boost变换器的级联，增益可以达到D/(1‑D)²。此外，该级联变换器的输入电流连续，非常有利于输入电流的滤波。

Description

一种单管Boost-Buck-Boost变换器

技术领域

本发明涉及级联DC-DC变换器领域，具体涉及一种单管Boost-Buck-Boost变换器变换器。

背景技术

近年来，高增益升压DC-DC变换器广泛用于UPS、分布式光伏发电和电池储能系统。目前，高增益升压DC-DC变换器有开关电容型、开关电感型，通过增加开关电容或电感来实现电压的升高，同时也使电路结构变得很复杂。此外，还有通过隔离变压器或耦合电感来实现高增益，然而变压器和耦合电感的漏感难以控制，会极大地增加器件的应力和能量损耗。此外，级联型DC-DC变换器可以实现高增益，同样受到很大的青睐，若将基本的Boost变换器和Buck-Boost变换器级联，可以得到结构简单的高增益级联变换器，但是如何使用一个开关管实现高增益级联变换器仍是个难题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种单管Boost-Buck-Boost变换器变换器。

本发明采用的技术方案是：一种单管Boost-Buck-Boost变换器变换器，包括以直流电源、开关管、第一电感、第一二极管、第三二极管和第一电容构成的Boost变换器；以第一电容、开关管、第二电感、第二二极管、第二电容和负载构成的Buck-Boost变换器。

所述变换器中，第一电感的一端与直流电压的正极相连接，另一端同时与开关管的漏极和第一电容的阳极相连；第二电感的一端同时与第一电容的阴极、第一二极管的阳极、第二二极管的阳极相连接，另一端同时与开关管的源极、第三二极管的阳极、第二电容的阴极和负载的一端相连接；负载的另一端同时与第二二极管的阴极和第二电容的阳极相连接；直流电源的负极同时与第一二极管的阴极和第三二极管的阴极相连接。

当开关管开通时，第一二极管和第二二极管截止，第三二极管导通，直流电源给第一电感充电，第一电容给第二电感充电，同时第二电容给负载供电；当开关管关断时，第一电感通过第一二极管续流，第二电感通过第二二极管续流，第三二极管截止，直流电源和第一电感共同给第一电容充电，第二电感同时给第二电容和负载供电。

变换器包括第一电感的电流和第二电感的电流均工作于连续导通模式（L₁-L₂-CCM模式）、第一电感的电流或第二电感的电流工作于连续导通模式（L₁/L₂-CCM模式），其中L₁/L₂-CCM模式包括第一电感的电流工作于连续导通模式而第二电感的电流工作于断续导通模式、第一电感的电流工作于断续导通模式而第二电感的电流工作于连续导通模式、包括第一电感的电流和第二电感的电流均工作于断续导通模式。

与现有技术相比，本发明具有的优势为：仅使用一个开关管，实现Boost变换器和Buck-Boost变换器的级联，极大的简化了电路结构，增益为D/(1-D)²。

附图说明

图1是本发明的一种单管Boost-Buck-Boost变换器结构图；

图2是图1所示的一种单管Boost-Buck-Boost变换器工作于L₁-L₂-CCM模式下关键电流波形图；

图3是图1所示的一种单管Boost-Buck-Boost变换器工作于L₁/L₂-DCM模式下关键电流波形图；

图4a～图4d分别是图1所示的一种单管Boost-Buck-Boost变换器的四种工作模态；

图5是图1中的一种单管Boost-Buck-Boost变换器工作于L₁-L₂-CCM模式的仿真波形图；

图6是图1中的一种单管Boost-Buck-Boost变换器工作于L₁/L₂-DCM模式的仿真波形图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明的内容和特点，以下结合附图对本发明的具体实施方案进行具体说明。但本发明的实施不限于此。

参考图1，本发明的一种单管Boost-Buck-Boost变换器，直流电源V_in、开关管S、第一电感L₁、第一二极管D₁、第三二极管D₃和第一电容C₁构成的Boost变换器；以第一电容C₁、开关管S、第二电感L₂、第二二极管D₂、第二电容C₂和负载R构成的Buck-Boost变换器。其中，第一电感L₁的一端与直流电压V_in的正极相连接，第一电感L₁另一端同时与开关管S的漏极和第一电容C₁的阳极相连；第二电感L₂的一端同时与第一电容C₁的阴极、第一二极管D₁的阳极、第二二极管D₂的阳极相连接，第二电感L₂另一端同时与开关管S的源极、第三二极管D₃的阳极、第二电容C₂的阴极和负载R的一端相连接；负载R的另一端同时与第二二极管D₂的阴极和第二电容C₂的阳极相连接；直流电源V_in的负极同时与第一二极管D₁的阴极和第三二极管D₃的阴极相连接。

下面以图1为主电路结构，结合图2～图4叙述本发明的具体工作原理。

首先考虑变换器工作在L₁-L₂-CCM模式：

图2中t₀-t₁阶段，开关管S开通，第一二极管D₁和第二二极管D₂截止，第三二极管D₃导通，直流电源V_in经开关管S和第三二极管D₃给第一电感L₁充电，第一电感L₁的电流i_L1线性上升，第一电容C₁经开关管S给第二电感L₂充电，第二电感L₂的电流i_L2线性上升，同时第二电容C₂给负载R供电，电流路径如图4a所示；图2中t₁-t₂阶段，开关管S关断，第一电感L₁通过第一二极管D₁续流，第二电感L₂通过第二二极管D₂续流，第三二极管D₃截止，直流电源V_in和第一电感L₁经第一二极管D₁共同给第一电容C₁充电，第一电感L₁的电流i_L1线性下降，第二电感L₂经第二二极管D₂同时给第二电容C₂和负载R供电，第二电感L₂的电流i_L2线性下降，电流路径如图4b所示。关键电流波形图如图3所示。

再考虑变换器工作在L₁/L₂-DCM模式，以第一电感L₁的电流和第二电感L₂的电流均工作于断续导通模式且第一电感L₁的电流比第二电感L₂的电流提前降为零为例进行说明：

图3中t₀-t₁与t₁-t₂阶段变换器的工作过程与上述图2中t₀-t₁与t₁-t₂阶段相同。t₂时刻，第一电感L₁的电流i_L1降为零。

图3中t₂-t₃阶段，开关管S关断，第一二极管D₁和第三二极管D₃截止，第二电感L₂继续经第二二极管D₂续流同时给第二电容C₂和负载R供电，第二电感L₂的电流i_L2继续线性下降，电流路径如图4c所示。t₃时刻，第二电感L₂的电流i_L2降为零。

图3中t₃-t₄阶段，开关管S关断，第一二极管D₁、第二二极管D₂和第三二极管D₃截止，第二电容C₂给负载R供电，电流路径如图4d所示。

图5为所提供变换器工作于L₁-L₂-CCM模式的仿真图，验证了上述理论分析的正确性。

图6为所提供变换器工作于L₁/L₂-DCM模式的仿真图，验证了上述理论分析的正确性。

Claims (3)

1.一种单管Boost-Buck-Boost变换器，其特征在于包括以直流电源（V_in）、开关管（S）、第一电感（L₁）、第一二极管（D₁）、第三二极管（D₃）和第一电容（C₁）构成的Boost变换器；以第一电容（C₁）、开关管（S）、第二电感（L₂）、第二二极管（D₂）、第二电容（C₂）和负载（R）构成的Buck-Boost变换器；第一电感（L₁）的一端与直流电源（V_in）的正极相连接，第一电感（L₁）另一端同时与开关管（S）的漏极和第一电容（C₁）的阳极相连；第二电感（L₂）的一端同时与第一电容（C₁）的阴极、第一二极管（D₁）的阳极、第二二极管（D₂）的阳极相连接，第二电感（L₂）另一端同时与开关管（S）的源极、第三二极管（D₃）的阳极、第二电容（C₂）的阴极和负载（R）的一端相连接；负载（R）的另一端同时与第二二极管（D₂）的阴极和第二电容（C₂）的阳极相连接；直流电源（V_in）的负极同时与第一二极管（D₁）的阴极和第三二极管（D₃）的阴极相连接。

2.根据权利要求1所述的一种单管Boost-Buck-Boost变换器，其特征在于工作模式包括L₁-L₂-CCM模式和L₁/L₂-DCM模式，L₁-L₂-CCM模式中第一电感（L₁）的电流和第二电感（L₂）的电流均工作于连续导通模式；L₁/L₂-DCM模式中，第一电感（L₁）的电流或第二电感（L₂）的电流工作于连续导通模式，L₁/L₂-DCM模式包括：第一电感（L₁）的电流工作于连续导通模式而第二电感（L₂）的电流工作于断续导通模式、第一电感（L₁）的电流工作于断续导通模式而第二电感（L₂）的电流工作于连续导通模式、第一电感（L₁）的电流和第二电感（L₂）的电流均工作于断续导通模式。

3.根据权利要求1所述的一种单管Boost-Buck-Boost变换器，其特征在于：所述变换器的增益为D/(1-D)²，其中D为开关管（S）开通时间的占空比。