CN103633844A - 一种磁耦合式高增益dc/dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁耦合式高增益DC/DC变换器，包括直流输入电源、第一电感、第一二极管、第二二极管、第二电感、第一电容、开关管、第三二极管、第二电容、变压器、第三电容、第四二极管、输出电容；直流输入电源分别接第一电感、第一电容、开关管、变压器、第三电容、输出电容、负载；第一电感分别接第一二极管和第二二极管；第二电感分别接第一二极管、开关管、第三二极管、第二电容、第二二极管和第一电容；第二电容接变压器；第三二极管分别接变压器和第三电容；变压器接第四二极管；第四二极管分别接输出电容和负载。本发明在相同的输入电压和输出电压条件下，本发明只需要较小的占空比就可以将低等级电压升至高等级的电压。

Description

一种磁耦合式高增益DC/DC变换器

技术领域

本发明涉及DC/DC变换器的技术领域，尤其是指一种磁耦合式高增益DC/DC变换器。

背景技术

业内习知，在可再生能源发电系统中，大多数的可再生能源如太阳能、风能和燃料电池等输出一般都是低等级的直流电压，若要并网的话，需要使用高增益的变换器将低电压转换为高电压。然而传统的非隔离型DC/DC变换器受占空比和寄生参数的限制，无法实现大幅度的升压；而带有变压器的隔离型DC/DC变换器，虽可利用变压器匝比实现高增益，但某些应用场合并不需要输入输出端相互隔离，且隔离型变换器的控制比较复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构合理可靠、性能优越、控制方便的磁耦合式高增益DC/DC变换器。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种磁耦合式高增益DC/DC变换器，包括有直流输入电源、第一电感、第一二极管、第二二极管、第二电感、第一电容、开关管、第三二极管、第二电容、变压器、第三电容、第四二极管、输出电容；其中，所述直流输入电源的一端与第一电感的一端连接，其另一端分别与第一电容的一端、开关管的漏极、变压器原边的异名端、第三电容的一端、输出电容的一端、负载的一端连接；所述第一电感的另一端分别与第一二极管的阳极和第二二极管的阳极连接；所述第二电感的一端分别与第一二极管的阴极、开关管的漏极、第三二极管的阳极、第二电容的一端连接，其另一端分别与第二二极管的阴极和第一电容的另一端连接；所述第二电容的另一端与变压器原边的同名端连接；所述第三二极管的阴极分别与变压器副边的异名端和第三电容的另一端连接；所述变压器副边的同名端与第四二极管的阳极连接；所述第四二极管的阴极分别与输出电容的另一端和负载的另一端连接；所述输出电容和负载并联。

所述变压器T的匝比为1:n。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、相比于传统的Flyback、Forward和Full-bridge DC/DC变换器，在相同的占空比和输入电压的情况下，本发明具有更高的输出电压。

2、在相同的输入电压和输出电压条件下，本发明电路只需要较小的占空比就可以将低等级电压升至高等级的电压，而且工作效率高，因此本发明电路具有很广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的电路原理图。

图2为一个开关周期主要元件的电压电流波形图。

图3a为一个开关周期内电路模态图之一。

图3b为一个开关周期内电路模态图之二。

图3c为一个开关周期内电路模态图之三。

图4为本发明、Flyback和Forward变换器的V_O/V_in随占空比D变化的波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

参见图1所示，本实施例所述的磁耦合式高增益DC/DC变换器，包括有直流输入电源、第一电感L₁、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第二电感L₂、第一电容C₁、开关管S、第三二极管D₃、第二电容C₂、匝比为1:n的变压器T、第三电容C₃、第四二极管D₄、输出电容C_out；其中，所述直流输入电源的一端与第一电感L₁的一端连接，其另一端分别与第一电容C₁的一端、开关管S的漏极、变压器T原边的异名端、第三电容C₃的一端、输出电容C_out的一端、负载的一端连接；所述第一电感L₁的另一端分别与第一二极管D₁的阳极和第二二极管D₂的阳极连接；所述第二电感L₂的一端分别与第一二极管D₁的阴极、开关管S的漏极、第三二极管D₃的阳极、第二电容C₂的一端连接，其另一端分别与第二二极管D₂的阴极和第一电容C₁的另一端连接；所述第二电容C₂的另一端与变压器T原边的同名端连接；所述第三二极管D₃的阴极分别与变压器T副边的异名端和第三电容C₃的另一端连接；所述变压器T副边的同名端与第四二极管D₄的阳极连接；所述第四二极管D₄的阴极分别与输出电容C_out的另一端和负载的另一端连接；所述输出电容C_out和负载并联。

参见图2所示，显示了所述开关管S的驱动信号V_g，第一电感L₁的电流I_L1，第二电感L₂的电流I_L2，变压器T的励磁电感L_P3和电流I_LP3，第三二极管D₃的电流I_D3，输出电压V_o，第一电容C₁的电压V_C1，第二电容C₂的电压V_C2，第三电容C₃的电压V_C3，第三二极管D₃的电压V_D3在一个开关周期的波形。

参见图3a至图3c所示，显示了本发明在一个开关周期内三个阶段的电路模态，其具体情况如下：

1）在t₀～t₁阶段，如图3a所示，开关管S的驱动电压V_g从低电平变为高电平，开关管S导通，第一二极管D₁承受正向电压导通，直流输入电压V_in通过第一二极管D₁和开关管S给第一电感L₁充电；第二二极管D₂承受反向电压截止，第一电容C₁则通过开关管S给第二电感L₂充电；第二电容C₂通过开关管S给变压器T的励磁电感L_P3充电，此时电流I_LP3与规定的方向相反，变压器T的输出电压V_O1小于零，第四二极管D₄和第三二极管D₃承受反向电压截止，第三电容C₃的电压V_C3维持不变；输出电容C_out给负载供电，以维持输出电压V_o不变。

2）在t₁～t₂阶段，如图3b所示，开关管S的驱动电压V_g从高电平变为低电平，开关管S关断，第一二极管D₁承受反向电压截止，第二二极管D₂承受正向电压导通，直流输入电压V_in和第一电感L₁一起给第一电容C₁充电；直流输入电压V_in、第一电感L₁和第二电感L₂给第二电容C₂充电；由于第三电容C₃电压大于直流输入电压V_in与第一电感L₁的电压V_L1之和，第三二极管D₃承受反向电压截止；变压器T的励磁电感L_P3放电，此时电流I_LP3与规定的方向相同，变压器T的输出电压V_O1大于零，第四二极管D₄承受正向电压导通，第三电容C₃开始放电，变压器T和第三电容C₃给输出电容C_out充电和负载供电；直到第三电容C₃电压小于直流输入电压V_in与第一电感L₁的电压V_L1之和，此阶段结束。

3）在t₂～t₃阶段，如图3c所示，开关管S的驱动电压V_g依然为低电平，开关管S关断，第一二极管D₁承受反向电压截止，第二二极管D₂承受正向电压导通，直流输入电压V_in和第一电感L₁一起给第一电容C₁充电；直流输入电压V_in、第一电感L₁和第二电感L₂给第二电容C₂充电；此时第三电容C₃电压小于直流输入电压V_in与第一电感L₁的电压V_L1之和，第三二极管D₃承受正向电压导通，直流输入电压V_in、第一电感L₁和第二电感L₂给第三电容C₃；变压器T的励磁电感L_P3放电，此时电流I_LP3与规定的方向相同，变压器T的输出电压V_O1大于零，第四二极管D₄承受正向电压导通，直流输入电压V_in、第一电感L₁、第二电感L₂和变压器T给输出电容C_out充电和负载供电。

以下为本实施例上述磁耦合式高增益DC/DC变换器的稳态增益情况：

由于第一电感L₁的电压V_L1一个开关周期平均值为零，因此可得到如下式（1），由式（1）得到输入电压V_in与第一电容C₁的电压V_C1关系式如下式（2）。

V_inD＝(V_C1-V_in)(1-D)  （1）

$V_{C1}=\frac{1}{1-D}{V}_{\mathrm{in}}---\left(2\right)$

由于第二电感L₂的电压V_L2一个开关周期平均值为零，因此可得到如下式（3）和式（4）。

$V_{C1}D=(\frac{V_{O1}}{n}+V_{C2}-V_{C1})(1-D)---\left(3\right)$

V_C1D＝(V_C3-V_C1)(1-D)  （4）

由于变压器T的励磁电感L_P3的电压V_LP3一个开关周期平均值为零，因此可得到如下式（5），由式（3）和式（5）可得到是如下式（6），由式（4）可以得到输出电压V_o的表达式如下式（7）。

$V_{C2}D=\frac{V_{O1}}{n}(1-D)---\left(5\right)$

$V_{O1}=\frac{\mathrm{nD}}{1-D}{V}_{C1}---\left(6\right)$

$V_{C3}=\frac{1}{1-D}{V}_{C1}---\left(7\right)$

由于输出电压V_o等于变压器T的输出电压V_O1与第三电容C₃的电压V_C3相加，所以由式（2）、（4）、（6）得到直流输入电压V_in与输出电压V_o的关系式如下式（8）。

$V_o=V_{O1}+V_{C3}=\frac{(1+\mathrm{nD})}{1-D}{V}_{C1}=\frac{(1+\mathrm{nD})}{{(1-D)}^2}---\left(8\right)$

通常，传统带有变压器的DC/DC变换器，如Flyback和Forward变换器的稳态增益为nD/(1-D)和nD（D为占空比）。如图4所示，显示了本发明与Flyback和Forward变换器的稳态增益情况，从图中可知，当输入电压为48V时，匝比n=3时，本发明的占空比只需0.47就可以升至400V左右，这相比于其它两个（Flyback和Forward变换器）占空比要小很多。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种磁耦合式高增益DC/DC变换器，其特征在于：包括有直流输入电源、第一电感（L₁）、第一二极管（D₁）、第二二极管（D₂）、第二电感（L₂）、第一电容（C₁）、开关管（S）、第三二极管（D₃）、第二电容（C₂）、变压器（T）、第三电容（C₃）、第四二极管（D₄）、输出电容（C_out）；其中，所述直流输入电源的一端与第一电感（L₁）的一端连接，其另一端分别与第一电容（C₁）的一端、开关管（S）的漏极、变压器（T）原边的异名端、第三电容（C₃）的一端、输出电容（C_out）的一端、负载的一端连接；所述第一电感（L₁）的另一端分别与第一二极管（D₁）的阳极和第二二极管（D₂）的阳极连接；所述第二电感（L₂）的一端分别与第一二极管（D₁）的阴极、开关管（S）的漏极、第三二极管（D₃）的阳极、第二电容（C₂）的一端连接，其另一端分别与第二二极管（D₂）的阴极和第一电容（C₁）的另一端连接；所述第二电容（C₂）的另一端与变压器（T）原边的同名端连接；所述第三二极管（D₃）的阴极分别与变压器（T）副边的异名端和第三电容（C₃）的另一端连接；所述变压器（T）副边的同名端与第四二极管（D₄）的阳极连接；所述第四二极管（D₄）的阴极分别与输出电容（C_out）的另一端和负载的另一端连接；所述输出电容（C_out）和负载并联。

2.根据权利要求1所述的一种磁耦合式高增益DC/DC变换器，其特征在于：所述变压器（T）的匝比为1:n。

Images