CN103633842A - 一种单开关反向输出二次型宽增益变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单开关反向输出二次型宽增益变换器，包括依次连接的Boost电路、Buck-Boost电路和Buck电路。其中，Boost电路由输入电源、第一电感、第一二极管、第二二极管、开关管和第一电容构成；Buck-Boost电路由第一电容、第二电感、第二电容、第三二极管和开关管构成；Buck电路由第二电容、开关管、第四二极管、第五二极管、第三电感、第三电容和负载构成。本发明仅用一个开关管，而且Boost电路和Buck-Boost电路共用第一电容，Buck-Boost电路和Buck电路共用第二电容。本发明结构简单，控制方便，且输出电压增益宽。本发明输入电压极性和输出电压极性相反。

Description

一种单开关反向输出二次型宽增益变换器

技术领域

本发明涉及电力电子变换器技术领域，具体涉及一种单相高增益升压变换器。 

背景技术

目前的集成电路所需要的电压通常低于5V，未来的微处理器需要的电压会从目前常用的3.5V降至更低，甚至会低于1V。而通常供电电压为12V或更高，因此需要一级具有较宽增益的降压变换器实现电压转换。 

在标准电信设备中，通常要将电池提供的48V直流电压升至380V母线电压，一些汽车头灯用到的高压气体放电灯在启动时通常需要将电压升至100V或更高，在新能源领域太阳能发电或风能发电场合，单个模块提供的电压通常较低，远小于在并网时需要的电压等级。因此，在这些场合需要用到以及具有较高增益的升压变换器。 

基本的DC-DC变换器如Buck变换器、Buck-Boost变换器、Boost变换器、Cuk变换器、Sepic变换器和Zeta变换器已很难满足上述升压或降压场合。 

现有的能提供较大降压增益的变换器虽然能满足需要较宽增益降压变换器的场合，但是无法应用到需要升压领域，现有的高增益升压变换器虽然能满足需要高增益升压变换器的场合，但是不能应用于降压领域。 

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种单开关反向输出二次型宽增益变换器。 

本发明既可用于需要高增益升压变换器的场合如新能源领域，也适用于需要宽增益降压变换器的场合如微处理器供电领域。 

本发明通过如下技术方案实现： 

一种单开关反向输出二次型宽增益变换器，包括依次连接的Boost电路、Buck-Boost电路和Buck电路。 

所述Boost电路包括输入电源、第一电感、第一二极管、第二二极管、开关管和第一电容； 

所述Buck-Boost电路包括第一电容、第二电感、第二电容、第三二极管和开关管； 

所述Buck电路包括第二电容、开关管、第四二极管、第五二极管、第三电感、第三电容和负载。 

所述第一电感的一端与输入电源的正极连接； 

所述第一电感的另一端分别与第一二极管的阳极、第二二极管的阳极连接； 

所述第一二极管的阴极分别与第一电容的一端、第二电感的一端和第三二极管的阴极连接； 

所述第二二极管的阴极分别与开关管的漏极、第二电感的另一端、第二电容的一端连接； 

所述第二电容的另一端分别与第三二极管的阳极、第四二极管的阴极连接； 

所述第四二极管的阳极分别与第五二极管的阳极、第三电感的一端连接； 

所述第三电感的另一端分别与第三电容的一端、负载的一端连接； 

所述第一电容的另一端、开关管的源极、第五二极管的阴极、第三电容的另一端、负载的另一端均与输入电源的负极连接。 

本发明所述的变换器的输入电压极性与输出电压极性相反。 

本发明不仅Boost电路、Buck-Boost电路和Buck电路共用一个开关管，而且Boost电路和Buck-Boost电路共用第一电容，Buck-Boost电路和Buck电路共用第二电容。 

与现有技术相比，本发明具有如下优点： 

本发明不仅可提供较大的升压比，还可以提供较大的降压比，因此既可用于升压场合也可用于降压场合； 

本发明只用到一个开关管，结构简单，控制方便。 

附图说明

图1是本发明所述的一种单开关反向输出二次型宽增益变换器的实施例的电路图； 

图2a～图2b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。 

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， 

一种单开关反向输出二次型宽增益变换器，包括依次连接的Boost电路A、Buck-Boost电路B和Buck电路C。 

所述Boost电路A包括输入电源V_g、第一电感L₁、第一二极管D₁、第二二极管D₂、开关管S和第一电容C₁； 

所述Buck-Boost电路B包括第一电容C₁、第二电感L₂、第二电容C₂、第三二极管C₃和开关管S； 

所述Buck电路C包括第二电容C₂、开关管S、第四二极管D₄、第五二极管D₅、第三电感L₃、第三电容C₃和负载R。 

所述第一电感L₁的一端与输入电源V_g的正极连接； 

所述第一电感L₁的另一端分别与第一二极管D₁的阳极、第二二极管D₂的阳极连接； 

所述第一二极管D₁的阴极分别与第一电容C₁的一端、第二电感L₂的一端和第三二极管D₃的阴极连接； 

所述第二二极管D₂的阴极分别与开关管S的漏极、第二电感L₂的另一端、第二电容C₂的一端连接； 

所述第二电容C₂的另一端分别与第三二极管D₃的阳极、第四二极管D₄的阴极连接； 

所述第四二极管D₄的阳极分别与第五二极管D₅的阳极、第三电感L₃的一端连接； 

所述第三电感L₃的另一端分别与第三电容C₃的一端、负载R的一端连接； 

所述第一电容C₁的另一端、开关管S的源极、第五二极管D₅的阴极、第三电容C₃的另一端、负载R的另一端均与输入电源V_g的负极连接。 

本发明所述变换器的输入电压极性与输出电压极性相反。 

本发明不仅Boost电路、Buck-Boost电路和Buck电路共用一个开关管，而且Boost电路和Buck-Boost电路共用第一电容，Buck-Boost电路和Buck电路共用第二电容。 

如图2a和图2b所示，一种单开关反向输出二次型宽增益变换器在一个开关周期内主要有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，第二二极管D₂和第四二极管D₄导通，第一二极管D₁、第三二极管D₃和第五二极管D₅截止。输入电源V_g给第一电感L₁充电，第一电容C₁给第二电感L₂充电，第二电容C₂给第三电感L₃充电。 

此工作模态下，相关电气参数关系式为： 

V_L1＝V_g                                              （1） 

V_L2＝V_C1                                             （2） 

V_L3＝V_C2-V_O                                        （3） 

其中，V_g表示输入电源电压，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，V_L3表示第三电感L₃在此工作模态下的两端电压，V_C1、V_C2分别表示第一电容C₁和第二电容C₂两端电压，V_o表示输出电压。 

工作模态2： 

如图2b所示，开关管S断开，第一二极管D₁、第三二极管D₃和第五二极管D₅导通，第二二极管D₂和第四二极管D₄截止。输入电源V_g和第一电感L₁同时给第一电容C₁充电，第二电感L₂向第二电容C₂传递能量，第三电感L₃通过第五二极管D₅续流。 

此工作模态下，相关电气参数表达式为： 

V'_L1＝V_C1-V_g                                          （4） 

V'_L2＝V_C2                                             （5） 

V'_L3＝V_o                                              （6） 

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                                     （7） 

V_L2DT_s＝V'_L2(1-D)T_s                                    （8） 

V_L3DT_s＝V'_L3(1-D)T_s                                     （9） 

联立式（1）～式（9）可得： 

$V_o={\left(\frac{D}{1-D}\right)}^2{V}_g$

由此可以开出，本发明所述的一种单相高增益升压变换器的电压增益M为： 

$M=\frac{V_o}{V_g}={\left(\frac{D}{1-D}\right)}^2$

本发明不仅Boost电路、Buck-Boost电路和Buck电路共用一个开关管，而且Boost电路和Buck-Boost电路共用第一电容，Buck-Boost电路和Buck电路共用第二电容。 

与现有技术相比本发明具有如下优点： 

本发明不仅可提供较大的升压比，还可以提供较大的降压比，因此既可用于升压场合也可用于降压场合； 

本发明只用到一个开关管，结构简单，控制方便。 

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 (3)

1.一种单开关反向输出二次型宽增益变换器，其特征在于，包括依次连接的Boost电路（A）、Buck-Boost电路（B）和Buck电路（C）；

所述Boost电路（A）包括输入电源（V_g）、第一电感（L₁）、第一二极管（D₁）、第二二极管（D₂）、开关管（S）和第一电容（C₁）；

所述Buck-Boost电路（B）包括第一电容（C₁）、第二电感（L₂）、第二电容（C₂）、第三二极管（C₃）和开关管（S）；

所述Buck电路（C）包括第二电容（C₂）、开关管（S）、第四二极管（D₄）、第五二极管（D₅）、第三电感（L₃）、第三电容（C₃）和负载（R）。

2.根据权利要求1所述的一种单开关反向输出二次型宽增益变换器，其特征在于，所述第一电感（L₁）的一端与输入电源（V_g）的正极连接；

所述第一电感（L₁）的另一端分别与第一二极管（D₁）的阳极、第二二极管（D₂）的阳极连接；

所述第一二极管（D₁）的阴极分别与第一电容（C₁）的一端、第二电感（L₂）的一端和第三二极管（D₃）的阴极连接；

所述第二二极管（D₂）的阴极分别与开关管（S）的漏极、第二电感（L₂）的另一端、第二电容（C₂）的一端连接；

所述第二电容（C₂）的另一端分别与第三二极管（D₃）的阳极、第四二极管（D₄）的阴极连接；

所述第四二极管（D₄）的阳极分别与第五二极管（D₅）的阳极、第三电感（L₃）的一端连接；

所述第三电感（L₃）的另一端分别与第三电容（C₃）的一端、负载（R）的一端连接；

所述第一电容（C₁）的另一端、开关管（S）的源极、第五二极管（D₅）的阴极、第三电容（C₃）的另一端、负载（R）的另一端均与输入电源（V_g）的负极连接。

3.根据权利要求1所述的一种单开关反向输出二次型宽增益变换器，其特征在于，输出电压极性与输入电压极性相反。

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