CN103633835A - 高效率高增益低电压电流应力的dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供高效率高增益低电压电流应力的DC-DC变换器。本发明以直流电源、开关管、第一二极管、第二二极管、第四二极管、第五二极管、第一电感、第三电感、第一电容、第三电容和第四电容构成输入级Boost变换器；以第一电容、开关管、第三二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第二电感、第四电感、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第二电容和负载构成输出级Boost变换器。输入Boost变换器和输出Boost变换器分别引入第二电感和第四电感作为谐振电感，实现了开关管的零电流开通，同时实现了每个二极管的零电流关断。该变换器增益为6/(1-D)²，且开关管的电压应力为输出电压的1/3。

Description

高效率高增益低电压电流应力的DC-DC变换器

技术领域

本发明涉及高增益非隔离型DC-DC变换器领域，具体涉及一种高效率高增益低电压电流应力的DC-DC变换器。

背景技术

近年来，高增益非隔离型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，高增益非隔离型DC-DC变换器主要有开关电容型、开关电感型，通过增加开关电容或电感来实现电压的升高，但难以实现软开关，降低了变换器的效率。二次型Boost变换器可以实现高增益，同样受到很大的青睐，但开关管的电压应力非常大，限制了电压的进一步提高。此外，通过耦合电感也可以实现很高的增益，然而耦合电感的漏感难以控制，会增加开关管的电压应力和能量损耗。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种高效率高增益低电压电流应力的DC-DC变换器变换器。

本发明采用的技术方案是：高效率高增益低电压电流应力的DC-DC变换器变换器，包括以直流电源、开关管、第一二极管、第二二极管、第四二极管、第五二极管、第一电感、第三电感、第一电容、第三电容和第四电容构成的输入级Boost变换器；以第一电容、开关管、第三二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第二电感、第四电感、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第二电容和负载构成的输出级Boost变换器。

第一电感的一端同时与直流电压的正极、第三电容的负极相连接，第一电感的另一端同时与第四二极管的阳极、第二二极管的阳极、第三电感的一端相连接，第三电感的另一端与第四电容的负极相连接，第三电容的正极同时与第四二极管的阴极、第五二极管的阳极相连接，第四电容的正极同时与第五二极管的阴极、第一二极管的正极相连接；第二电感的一端同时与第一二极管的阴极、第一电容的正极、第五电容的负极相连接，第二电感的另一端同时与第四电感的一端、开关管的漏极、第六二极管的阳极相连接，第四电感的另一端与第六电容的负极相连接，第五电容的正极同时与第七电容、第六二极管的阴极、第七二极管的阳极相连接，第六电容的正极同时与第七二极管的阴极、第八二极管的阳极、第八电容的负极相连，第七电容的正极同时与第八二极管的阴极、第九二极管的阳极相连，第八电容的阳极与第九二极管的阴极、第三二极管的阳极相连，负载的一端同时与第三二极管的阴极、第二电容的正极相连，负载的另一端同时与输入电源的负极、第一电容的负极、开关管的源极、第二电容的负极相连。

当开关管开通时，直流电源给第一电感充电，直流电源和第三电容共同给第四电容充电，第一电容给第二电感充电，第一电容和第五电容共同给第六电容充电，第七电容给第八电容供电，同时第二电容给负载供电；当开关管关断时，第一电感给第三电容充电，直流电源、第一电感和第四电容共同给第一电容充电，第二电感给第五电容充电，第四电感和第六电容共同给第七电容充电，同时第一电容、第二电感、第四电感、第六电容、第八电容共同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（L₂-CCM模式）、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（L₂-DCM模式）。

与现有技术相比，本发明具有的优势为：增益可达到6/(1-D)²，且开关管的电压应力低，仅为输出电压的1/3，实现了开关管的零电流开通，提高了变换器的效率，同时实现了每个二极管的零电流关断，很好的解决了每个二极管的反向恢复问题。与开关电容型和开关电感型相比，实现了软开关，提高了效率；与二次型Boost变换器相比，降低了开关管的应力；与带耦合电感的变换器相比，结构简单，不存在漏感的问题。

附图说明

图1是本发明的高效率高增益低电压电流应力的DC-DC变换器结构图；

图2是图1所示的高效率高增益低电压电流应力的DC-DC变换器工作于L₂-CCM模式下关键电流波形图；

图3a～图3f分别是图1所示的高效率高增益低电压电流应力的DC-DC变换器工作于L₂-CCM模式下的六种工作模态；

图4是图1所示的高效率高增益低电压电流应力的DC-DC变换器工作于L₂-CCM模式下的仿真波形图。

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，本发明的高效率高增益低电压电流应力的DC-DC变换器，以直流电源V_in、开关管Q、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第四二极管D_M1、第五二极管D_M2、第一电感L₁、第三电感L_r1、第一电容C₁、第三电容C_M1和第四电容C_M2构成的输入级Boost变换器；以第一电容C₁、开关管Q、第三二极管D_o、第六二极管D_M3、第七二极管D_M4、第八二极管D_M5、第九二极管D_M6、第二电感L₂、第四电感L_r2、第五电容C_M3、第六电容C_M4、第七电容C_M5、第八电容C_M6、第二电容C_o和负载R构成的输出级Boost变换器。其中，第一电感L₁的一端同时与直流电压V_in的正极、第三电容C_M1的负极相连接，第一电感L₁的另一端同时与第四二极管D_M1的阳极、第二二极管D₂的阳极、第三电感L_r1的一端相连接，第三电感L_r1的另一端与第四电容C_M2的负极相连接，第三电容C_M1的正极同时与第四二极管D_M1的阴极、第五二极管D_M2的阳极相连接，第四电容C_M2的正极同时与第五二极管D_M2的阴极、第一二极管D₁的正极相连接；第二电感L₂的一端同时与第一二极管D₁的阴极、第一电容C₁的正极、第五电容C_M3的负极相连接，第二电感L₂的另一端同时与第四电感L_r2的一端、开关管Q的漏极、第六二极管D_M3的阳极相连接，第四电感L_r2的另一端与第六电容C_M4的负极相连接，第五电容C_M3的正极同时与第七电容C_M5、第六二极管D_M3的阴极、第七二极管D_M4的阳极相连接，第六电容C_M4的正极同时与第七二极管D_M4的阴极、第八二极管D_M5的阳极、第八电容C_M6的负极相连，第七电容C_M5的正极同时与第八二极管D_M5的阴极、第九二极管D_M6的阳极相连，第八电容C_M6的阳极与第九二极管D_M6的阴极、第三二极管D_o的阳极相连，负载R的一端同时与第三二极管D_o的阴极、第二电容C_o的正极相连，负载R的另一端同时与输入电源V_in的负极、第一电容C₁的负极、开关管Q的源极、第二电容C_o的负极相连。

下面以图1为主电路结构，结合图2～图3叙述本发明的具体工作原理。以变换器工作在L₂-CCM模式为例进行说明：

图2中t₀-t₁阶段，开关管Q开通，电流路径如图3a所示，直流电源V_in通过开关管Q和第二二极管D₂给第一电感L₁充电，直流电源V_in和第三电容C_M1经过开关管Q和第五二极管D_M2、第二二极管D₂共同给第四电容C_M2充电，第三电感L_r1发生谐振，第一电容C₁经开关管Q给第二电感L₂充电，第一电容C₁、第五电容C_M3经开关管Q、第七二极管D_M4共同给第六电容C_M4充电，第七电容C_M5给第八电容C_M6充电，第四电感L_r2发生谐振，同时第二电容C_o给负载R供电。t＝t₁时，第三电感L_r1、第四电感L_r2的电流i_Lr1、i_Lr2降为零。

图2中t₁-t₂阶段，开关管Q继续开通，电流路径如图3b所示，直流电源V_in通过开关管Q和第二二极管D₂继续给第一电感L₁充电，第一电容C₁经开关管Q继续给第二电感L₂充电，同时第二电容C_o继续给负载R供电。

图2中t₂-t₃阶段，开关管Q关断，电流路径如图3c所示，第一电感L₁经第四二极管D_M1给第三电容C_M1充电，直流电源V_in、第一电感L₁和第四电容C_M2经第一二极管D₁给第一电容C₁充电，第二电感L₂经第六二极管D_M3给第五电容C_M3充电，第六电容C_M4经第八二极管D_M5给第七电容C_M5充电，第一电容C₁、第二电感L₂、第六电容C_M4、第八电容C_M6经第三二极管D_o共同给第二电容C_o和负载R供电。t＝t₃时，第八二极管D_M5截止。

图2中t₃-t₄阶段，开关管Q关断，电流路径如图3d所示，第一电感L₁经第四二极管D_M1继续给第三电容C_M1充电，直流电源V_in、第一电感L₁和第四电容C_M2经第一二极管D₁继续给第一电容C₁充电，第二电感L₂经第六二极管D_M3继续给第五电容C_M3充电，第一电容C₁、第二电感L₂、第六电容C_M4、第八电容C_M6经第三二极管D_o共同继续给第二电容C_o和负载R供电。t＝t₄时，第一电感L₁的电流i_L1和第三电感L_r1的电流i_Lr1相等，第二电感L₂的电流i_L2和第四电感L_r2的电流i_Lr2相等。

图2中t₄-t₅阶段，开关管Q关断，电流路径如图3e所示，直流电源V_in、第一电感L₁、第三电感L_r1和第四电容C_M2经第一二极管D₁共同给第一电容C₁充电，同时直流电源V_in、第一电感L₁、第三电感L_r1、第四电容C_M2、第二电感L₂、第四电感L_r2、第六电容C_M4、第八电容C_M6经第三二极管D_o共同给第二电容C_o和负载R供电。

图2中t₅-t₆阶段，开关管Q开通，电流路径如图3f所示，直流电源V_in经开关管Q和第二二极管D₂给第一电感L₁充电，直流电源V_in、第一电感L₁、第四电容C_M2经第一二极管D₁给第一电容C₁充电，第一电容C₁经开关管Q给第二电感L₂充电，第一电容C₁、第二电感L₂、第六电容C_M4、第八电容C_M6经第三二极管D_o共同给第二电容C_o和负载R充电。t＝t₆时，第二电感L₂ i_L2和第四电感L_r2的电流i_Lr1和i_Lr2降为零。

图4示出高效率高增益低电压电流应力的DC-DC变换器工作于L₂-CCM模式下的仿真电流波形图，验证了上述理论分析的正确性。

Claims (6)

1.高效率高增益低电压电流应力的DC-DC变换器，其特征在于包括：以直流电源（V_in）、开关管（Q）、第一二极管（D₁）、第二二极管（D₂）、第四二极管（D_M1）、第五二极管（D_M2）、第一电感（L₁）、第三电感（L_r1）、第一电容（C₁）、第三电容（C_M1）和第四电容（C_M2）构成的输入级Boost变换器；以第一电容（C₁）、开关管（Q）、第三二极管（D_o）、第六二极管（D_M3）、第七二极管（D_M4）、第八二极管（D_M5）、第九二极管（D_M6）、第二电感（L₂）、第四电感（L_r2）、第五电容（C_M3）、第六电容（C_M4）、第七电容（C_M5）、第八电容（C_M6）、第二电容（C_o）和负载（R）构成的输出级Boost变换器。

2.根据权利要求1所述的高效率高增益低电压电流应力的DC-DC变换器，其特征在于：第一电感（L₁）的一端同时与直流电压（V_in）的正极、第三电容（C_M1）的负极相连接，第一电感（L₁）的另一端同时与第四二极管（D_M1）的阳极、第二二极管（D₂）的阳极、第三电感（L_r1）的一端相连接，第三电感（L_r1）的另一端与第四电容（C_M2）的负极相连接，第三电容（C_M1）的正极同时与第四二极管（D_M1）的阴极、第五二极管（D_M2）的阳极相连接，第四电容（C_M2）的正极同时与第五二极管（D_M2）的阴极、第一二极管（D₁）的正极相连接；第二电感（L₂）的一端同时与第一二极管（D₁）的阴极、第一电容（C₁）的正极、第五电容（C_M3）的负极相连接，第二电感（L₂）的另一端同时与第四电感（L_r2）的一端、开关管（Q）的漏极、第六二极管（D_M3）的阳极相连接，第四电感（L_r2）的另一端与第六电容（C_M4）的负极相连接，第五电容（C_M3）的正极同时与第七电容（C_M5）、第六二极管（D_M3）的阴极、第七二极管（D_M4）的阳极相连接，第六电容（C_M4）的正极同时与第七二极管（D_M4）的阴极、第八二极管（D_M5）的阳极、第八电容（C_M6）的负极相连，第七电容（C_M5）的正极同时与第八二极管（D_M5）的阴极、第九二极管（D_M6）的阳极相连，第八电容（C_M6）的阳极与第九二极管（D_M6）的阴极、第三二极管（D_o）的阳极相连，负载（R）的一端同时与第三二极管（D_o）的阴极、第二电容（C_o）的正极相连，负载（R）的另一端同时与输入电源（V_in）的负极、第一电容（C₁）的负极、开关管（Q）的源极、第二电容（C_o）的负极相连。

3.根据权利要求1所述的高效率高增益低电压电流应力的DC-DC变换器，其特征在于工作模式包括L₂-CCM模式和L₂-DCM模式，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；L₂-DCM模式中第一电感（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。

4.根据权利要求1所述的高效率高增益低电压电流应力的DC-DC变换器，其特征在于：变换器的增益即输出输入电压比为6/(1-D)²，其中D为开关管（Q）开通时间的占空比。

5.根据权利要求1所述的高效率高增益低电压电流应力的DC-DC变换器，其特征在于：开关管（Q）的电压应力为输出电压的1/3。

6.根据权利要求1所述的高效率高增益低电压电流应力的DC-DC变换器，其特征在于：输入级Boost变换器引入第三电感（L_r1）作为谐振电感，输出级Boost变换器引入第四电感（L_r2）作为谐振电感。

Images