CN103633838A - 带耦合电感的高效率高增益dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带耦合电感的高效率高增益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、第二电感、第一电容、第三电容和第四电容构成倍压输出的输入级Boost变换器；以第一电容、开关管、第三二极管、第二电容、第五电容、第六电容、耦合电感和负载构成带有耦合电感的输出级Boost变换器。输入Boost变换器引入第二电感作为谐振电感，输出Boost变换器采用耦合电感，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。该变换器增益极高，可达到2(2+N)/(1-D)²，且开关管的电压应力很低，仅为输出电压的1/(2+N)。

Description

带耦合电感的高效率高增益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，具体涉及一种带耦合电感的高效率高增益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若不加以控制，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，提出一种带耦合电感的高效率高增益DC-DC变换器变换器。

本发明采用的技术方案是：带耦合电感的高效率高增益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、第二电感、第一电容、第三电容和第四电容构成的倍压输出的输入级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、第二电容、第五电容、第六电容、耦合电感和负载构成的带有耦合电感的输出级Boost变换器。

所述变换器中，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、第二电感的一端相连接，第二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，第四电容的正极与第五二极管的阴极、第一二极管的正极相连接；耦合电感的原边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，耦合电感的原边的另一端同时与副边的非同名端、开关管的漏极、第六二极管的阳极相连接，耦合电感的副边的另一端与第二电容的负极相连接，第五电容的正极同时与第六二极管的阴极、第七二极管的阳极相连接，第二电容的正极与第七二极管的阴极、第三二极管的阳极相连接，第三二极管的阴极同时与第六电容的正极、负载的一端相连接，负载的另一端与直流电源的负极、第一电容的阴极、开关管的源极、第六电容的负极相连接。

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，第一电容给耦合电感的原边充电，第一电容和第五电容共同给第二电容充电，同时第六电容给负载供电；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，耦合电感的原边给第五电容充电，同时直流电源、第一电感、第四电容、耦合电感的原边、副边、第二电容共同给第六电容和负载供电。

变换器的工作模式包括第一电感的电流和耦合电感的电流均工作于连续导通模式（L₁-C-CCM模式）、第一电感的电流工作于连续导通模式而耦合电感的电流工作于断续导通模式（L₁-CCM-C-DCM模式）。

与现有技术相比，本发明具有的优势为：增益为2(2+N)/(1-D)²，且开关管的电压应力低，仅为输出电压的1/(2+N)，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；与现有的耦合电感相比，很好的利用了漏感，进一步提高电压，降低开关管的应力，实现软开关。

附图说明

图1是本发明的带耦合电感的高效率高增益DC-DC变换器结构图；

图2是图1所示的带耦合电感的高效率高增益DC-DC变换器的等效电路图；

图3是图1所示的带耦合电感的高效率高增益DC-DC变换器工作于L₁-C-CCM模式下关键电流波形图；

图4a～图4f分别是图1所示的带耦合电感的高效率高增益DC-DC变换器工作于L₁-C-CCM模式下的六种工作模态。

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，本发明的带耦合电感的高效率高增益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、第二电感L_r、第一电容C₁、第三电容C_M1和第四电容C_M2构成的倍压输出的输入级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_c、第七二极管D_r、第二电容C₂、第五电容C_c、第六电容C_o、耦合电感（n₁:n₂）和负载R构成的带有耦合电感的输出级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、第二电感L_r的一端相连接，第二电感L_r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的正极与第五二极管D_M2的阴极、第一二极管D₁的正极相连接；耦合电感（n₁:n₂）的原边n₁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_c的负极相连接，耦合电感（n₁:n₂）的原边n₁的另一端同时与副边n₂的非同名端、开关管Q的漏极、第六二极管D_c的阳极相连接，耦合电感（n₁:n₂）的副边n₂的另一端与第二电容C₂的负极相连接，第五电容C_c的正极同时与第六二极管D_c的阴极、第七二极管D_r的阳极相连接，第二电容C₂的正极与第七二极管D_r的阴极、第三二极管D_o的阳极相连接，第三二极管D_o的阴极同时与第六电容C_o的正极、负载R的一端相连接，负载R的另一端与直流电源V_in的负极、第一电容C₁的阴极、开关管Q的源极、第六电容C_o的负极相连接。

下面以图1为主电路结构，以图2所示等效电路为对象，结合图3～图4叙述本发明的具体工作原理。以变换器工作在L₁-C-CCM模式为例进行说明：

图3中t₀-t₁阶段，开关管Q开通，电流路径如图4a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，第二电感L_r发生谐振，第一电容C₁经开关管Q给励磁电感L_m和原边漏感L_k1充电，励磁电感L_m经副边绕组n₂感应，和第一电容C₁、第五电容C_c经开关管Q和第七二极管D_r共同给第二电容C₂充电，同时第六电容C_o给负载R供电。t＝t₁时，第二电感L_r的电流i_Lr降为零。

图3中t₁-t₂阶段，开关管Q继续开通，电流路径如图4b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继续给励磁电感L_m和原边漏感L_k1充电，励磁电感L_m经副边绕组n₂感应，和第一电容C₁、第五电容C_c经开关管Q和第七二极管D_r继续共同给第二电容C₂充电，同时第六电容C_o继续给负载R供电。

图3中t₂-t₃阶段，开关管Q关断，电流路径如图4c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，原边漏感L_k1经第六二极管D_c给第五电容C_c充电，副边漏感L_k2经第六二极管D_c、第七二极管D_r给第二电容C₂充电，第六电容C_o继续给负载R供电。t＝t₃时，副边漏感的电流i_Lk2降为零。

图3中t₃-t₄阶段，开关管Q关断，电流路径如图4d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，原边漏感L_k1经第六二极管D_c继续给第五电容C_c充电，励磁电感L_m经副边绕组n₂感应，和励磁电感L_m、第一电容C₁、第二电容C₂经第三二极管D_o共同给第六电容C_o和负载R充电。t＝t₄时，第一电感L₁的电流i_L1和第二电感L_r的电流i_Lr相等，原边漏感L_k1的电流i_Lk和副边漏感L_k2的电流i_Lk2的电流相等。

图3中t₄-t₅阶段，开关管Q关断，电流路径如图4e所示，直流电源V_in、第一电感L₁、第二电感L_r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、第二电感L_r、第四电容C_M2、励磁电感L_m、励磁电感L_m经副边绕组n₂感应、第二电容C₂经第三二极管D_o共同给第六电容C_o和负载R供电。

图3中t₅-t₆阶段，开关管Q开通，由于第二电感Lr和耦合电感（n1:n2）的电流钳位，使开关管的开通电流为0，提高了变换器的效率。电流路径如图4f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、第二电感L_r和第四电容C_M2经第一二极管D₁给第一电容C₁，第一电容C₁经开关管Q给励磁电感L_m和原边漏感L_k1充电，第一电容C₁、励磁电感L_m、励磁电感L_m经副边绕组n₂感应、第二电容C₂经第三二极管D_o共同给第六电容C_o和负载R充电。t＝t₆时，第二电感L_r的电流i_Lr和副边漏感L_k2的电流i_Lk2降为零。

Claims (5)

1.带耦合电感的高效率高增益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）、第二电感（L_r）、第一电容（C₁）、第三电容（C_M1）和第四电容（C_M2）构成的倍压输出的输入级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_c）、第七二极管（D_r）、第二电容（C₂）、第五电容（C_c）、第六电容（C_o）、耦合电感（n₁:n₂）和负载（R）构成的带有耦合电感的输出级Boost变换器。

2.根据权利要求1所述的带耦合电感的高效率高增益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、第二电感（L_r）的一端相连接，第二电感（L_r）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）的正极与第五二极管（D_M2）的阴极、第一二极管（D₁）的正极相连接；耦合电感（n₁:n₂）的原边（n₁）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_c）的负极相连接，耦合电感（n₁:n₂）的原边（n₁）的另一端同时与副边（n₂）的非同名端、开关管（Q）的漏极、第六二极管（D_c）的阳极相连接，耦合电感（n₁:n₂）的副边（n₂）的另一端与第二电容（C₂）的负极相连接，第五电容（C_c）的正极同时与第六二极管（D_c）的阴极、第七二极管（D_r）的阳极相连接，第二电容（C₂）的正极与第七二极管（D_r）的阴极、第三二极管（D_o）的阳极相连接，第三二极管（D_o）的阴极同时与第六电容（C_o）的正极、负载（R）的一端相连接，负载（R）的另一端与直流电源（V_in）的负极、第一电容（C₁）的阴极、开关管（Q）的源极、第六电容（C_o）的负极相连接。

3.根据权利要求1所述的带耦合电感的高效率高增益DC-DC变换器，其特征在于工作模式包括L₁-C-CCM模式和L₁-CCM-C-DCM模式，L₁-C-CCM模式中第一电感（L₁）的电流和耦合电感（n₁:n₂）的电流均工作于连续导通模式；L₁-CCM-C-DCM模式中第一电感（L₁）的电流工作于连续导通模式而耦合电感（n₁:n₂）的电流工作于断续导通模式。

4.根据权利要求1所述的带耦合电感的高效率高增益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2(2+N)/(1-D)²，其中D为开关管（Q）开通时间的占空比，N为耦合电感的副边（n₂）与原边（n₁）的匝数比。

5.根据权利要求4所述的带耦合电感的高效率高增益DC-DC变换器，其特征在于：开关管（Q）的电压应力低，为输出电压的1/(2+N)。

Images