CN103762852B

CN103762852B - 双耦合电感的高效率高增益dc-dc变换器

Info

Publication number: CN103762852B
Application number: CN201410042840.4A
Authority: CN
Inventors: 张波; 付坚; 丘东元
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2034-01-28
Also published as: CN103762852A

Abstract

本发明提供双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、第一耦合电感、第一电容、第二电容和第五电容构成的带耦合电感的输入级Boost变换器；以第二电容、开关管、第三二极管、第六二极管、第七二极管、第三电容、第四电容、第六电容、第二耦合电感和负载构成的带有耦合电感的输出级Boost变换器。输入Boost变换器和输出Boost变换器均采用耦合电感，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+N₁)(2+N₂)/(1‑D)²，且开关管的电压应力很低，仅为输出电压的1/(2+N₂)。

Description

双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，具体涉及一种双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，提出一种双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如下。

双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、第一耦合电感、第一电容、第二电容和第五电容构成的带耦合电感的输入级Boost变换器；以第二电容、开关管、第三二极管、第六二极管、第七二极管、第三电容、第四电容、第六电容、第二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，直流电压的正极与第一耦合电感原边的一端连接，第一耦合电感原边的另一端与第一耦合电感副边的非同名端、第二二极管的阳极、第四二极管的阳极连接，第一耦合电感副边的另一端与第一电容的负极连接，第四二极管的阴极与第五二极管的阳极、第五电容的阳极连接，第一电容的正极与第一二极管的阳极、第五二极管的阴极连接，第一二极管的阴极与第二电容的正极、第六电容的负极、第二耦合电感的原边的一端连接，第二耦合电感的原边的另一端与开关管的漏极、第二二极管的阴极、第六二极管的阳极、第二耦合电感的副边的非同名端连接，第二耦合电感的副边的另一端与第三电容的负极连接，第六电容的正极与第六二极管的阴极、第七二极管的阳极连接，第七二极管的阴极与第三电容的正极、第三二极管的阳极连接，第三二极管的阴极与第四电容的正极、负载的一端连接，负载的另一端与直流电压的负极、第五电容的负极、第二电容的负极、开关管的源极、第四电容的负极连接。

当开关管开通时，直流电源给第一耦合电感的原边充电，第一耦合电感的原边通过副边的感应和第五电容共同给第一电容充电，第二电容给第二耦合电感的原边充电，第一耦合电感的原边通过副边的感应、第二电容和第六电容共同给第三电容充电，同时第四电容给负载供电；当开关管关断时，直流电源和第一耦合电感的原边共同给第五电容充电，第二耦合电感的原边给第六电容充电，同时直流电源、第一耦合电感的原边、副边、第一电容、第二耦合电感的原边、副边、第三电容共同给第四电容和负载供电。

变换器的工作模式包括第一耦合电感的电流和第二耦合电感的电流均工作于连续导通模式（C₂-CCM模式）、第一耦合电感的电流工作于连续导通模式而第二耦合电感的电流工作于断续导通模式（C₂-DCM模式）。

与现有技术相比，本发明具有的优势为：增益为(2+N₁)(2+N₂)/(1-D)²，且开关管的电压应力低，仅为输出电压的1/(2+N₂)，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是本发明的双耦合电感的高效率高增益DC-DC变换器结构图；

图2是图1所示的双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所示的双耦合电感的高效率高增益DC-DC变换器工作于C₂-CCM模式下关键电流波形图；

图4a～图4g分别是图1所示的双耦合电感的高效率高增益DC-DC变换器工作于C₂-CCM模式下的七种工作模态。

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进行说明，但本发明的实施不限于此。

参考图1，本发明的双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_c1、第五二极管D_r1、第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）、第一电容C₁、第二电容C₂和第五电容C_c1构成的带耦合电感的输入级Boost变换器；以第二电容C₂、开关管Q、第三二极管D_o、第六二极管D_c2、第七二极管D_r2、第三电容C₃、第四电容C_o、第六电容C_c2、第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）和负载R构成的带有耦合电感的输出级Boost变换器。其中，直流电压V_in的正极与第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）原边n₁₁的一端连接，第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）原边n₁₁的另一端与第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）副边n₁₂的非同名端、第二二极管D₂的阳极、第四二极管D_c1的阳极连接，第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）副边n₁₂的另一端与第一电容C₁的负极连接，第四二极管D_c1的阴极与第五二极管D_r1的阳极、第五电容C_c1的阳极连接，第一电容C₁的正极与第一二极管D₁的阳极、第五二极管D_r1的阴极连接，第一二极管D₁的阴极与第二电容C₂的正极、第六电容C_c2的负极、第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的原边n₂₁的一端连接，第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的原边n₂₁的另一端与开关管Q的漏极、第二二极管D₂的阴极、第六二极管D_c2的阳极、第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的副边n₂₂的非同名端连接，第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的副边n₂₂的另一端与第三电容C₃的负极连接，第六电容C_c2的正极与第六二极管D_c2的阴极、第七二极管D_r2的阳极连接，第七二极管D_r2的阴极与第三电容C₃的正极、第三二极管D_o的阳极连接，第三二极管D_o的阴极与第四电容C_o的正极、负载R的一端连接，负载R的另一端与直流电压V_in的负极、第五电容C_c1的负极、第二电容C₂的负极、开关管Q的源极、第四电容C_o的负极连接。变换器的增益即输出输入电压比为(2+N₁)(2+N₂)/(1-D)²，其中D为开关管（Q）开通时间的占空比，N₁和N₂分别为第一耦合电感（n₂₁:n₂₂）和第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的副边与原边的匝数比。

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4a～图4g叙述本发明的具体工作原理。以变换器工作在C₂-CCM模式为例进行说明，图中带箭头的虚线为电流路径，不带箭头的虚线表示未导通的器件和线路。

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给第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）的原边n₁₁的励磁电感L_m1和漏感L_k11充电，第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）的原边n₁₁经副边n₁₂感应和第五电容C_c1通过开关管Q和第二二极管D₂共同给第一电容C₁充电；第二电容C₂通过开关管Q给第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的原边n₂₁的励磁电感L_m2和漏感L_k21充电，第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的原边n₂₁通过副边n₂₂感应、第二电容C₂和第六电容C_c2共同给第三电容C₃充电；同时，第四电容C_o给负载R供电。

图3中t₁-t₂阶段，开关管Q关断，电流路径如图4b所示，直流电源V_in和第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）的原边n₁₁的漏感L_k11通过第四二极管D_c1共同给第五电容C_c1充电，第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）的副边n₁₂的漏感L_k12通过第四二极管D_c1和第五二极管D_r1给第一电容C₁充电；第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的原边n₂₁的漏感L_k21通过第六二极管D_c2给第六电容C_c2充电，第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的副边n₂₂的漏感L_k22通过第六二极管D_c2和第七二极管D_r2给第三电容C₃充电；同时，第四电容C_o给负载R供电。t＝t₂时，第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）的副边n₁₂的漏感L_k12的电流i_Lk12和第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的副边n₂₂的漏感L_k22的电流i_Lk22均降为零。

图3中t₂-t₃阶段，开关管Q继续关断，电流路径如图4c所示，直流电源V_in和第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）的原边n₁₁的漏感L_k11通过第四二极管D_c1共同继续给第五电容C_c1充电，第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）的原边n₁₁通过副边n₁₂感应和第一电容C₁共同给第一二极管D₁提供导通电流和给第五二极管D_r1提供反向恢复电流；第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的原边n₂₁的漏感L_k21通过第六二极管D_c2继续给第六电容C_c2充电，第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的原边n₂₁通过副边n₂₂感应和第三电容C₃共同给第三二极管D_o提供导通电流和给第七二极管D_r2提供反向恢复电流；同时，第四电容C_o给负载R供电。第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）的副边n₁₂的漏感L_k12的电流i_Lk12和第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的副边n₂₂的漏感L_k22的电流i_Lk22均反向增大。t＝t₃时，第五二极管D_r1和第七二极管D_r2完全关断，第一二极管D₁和第三二极管D_o完全开通。

图3中t₃-t₄阶段，开关管Q继续关断，电流路径如图4d所示，直流电源V_in和第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）的原边n₁₁的漏感L_k11通过第四二极管D_c1共同继续给第五电容C_c1充电，直流电源V_in、第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）的原边n₁₁、第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）的原边n₁₁通过副边n₁₂感应和第一电容C₁通过第一二极管D₁共同给第二电容C₂充电；第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的原边n₂₁的漏感L_k21通过第六二极管D_c2继续给第六电容C_c2充电，第二电容C₂、第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的原边n₂₁、第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的原边n₂₁通过副边n₂₂感应和第三电容C₃通过第三二极管D_o共同给第四电容C_o和负载R供电。t＝t₅时，第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）的原边n₁₁的漏感L_k11的电流i_Lk11等于第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）的副边n₁₂的漏感L_k12的电流i_Lk12，第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的原边n₂₁的漏感L_k21的电流i_Lk21等于第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的副边n₂₂的漏感L_k22的电流i_Lk22。

图3中t₄-t₅阶段，开关管Q继续关断，电流路径如图4e所示，直流电源V_in、第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）的原边n₁₁、第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）的原边n₁₁经副边n₁₂感应和第一电容C₁通过第一二极管D₁共同给第二电容C₂充电；第二电容C₂、第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的原边n₂₁、第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的原边n₂₁经副边n₂₂感应和第三电容C₃通过第三二极管D_o共同给第四电容C_o和负载R供电。

图3中t₅-t₆阶段，开关管Q开通，电流路径如图4f所示，直流电源V_in通过开关管Q和第二二极管D₂给第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）的原边n₁₁的励磁电感L_m1和漏感L_k11充电，第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）的原边n₁₁通过副边n₁₂的感应和和第一电容C₁通过第一二极管D₁共同给第二电容C₂充电；第二电容C₂通过开关管Q给第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的原边n₂₁的励磁电感L_m2和漏感L_k21充电，第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的原边n₂₁通过副边n₂₂感应和第三电容C₃通过第三二极管D_o共同给第四电容C_o和负载R供电。

图3中t₆-t₇阶段，开关管Q继续开通，电流路径如图4_g所示，直流电源V_in通过开关管Q和第二二极管D₂继续给第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）的原边n₁₁的励磁电感L_m1和漏感L_k11充电，第二电容C₂通过开关管Q继续给第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的原边n₂₁的励磁电感L_m2和漏感L_k21充电；第五电容C_c1给第五二极管D_r1提供导通电流，第二电容C₂给第一二极管D₁提供反向恢复电流；第二电容C₂和第六电容C_c2共同给第七二极管D_r2提供导通电流，第四电容C_o给第三二极管D_o提供反向恢复电流。

Claims

1.双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_c1）、第五二极管（D_r1）、第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）、第一电容（C₁）、第二电容（C₂）和第五电容（C_c1）构成的带耦合电感的输入级Boost变换器；以第二电容（C₂）、开关管（Q）、第三二极管（D_o）、第六二极管（D_c2）、第七二极管（D_r2）、第三电容（C₃）、第四电容（C_o）、第六电容（C_c2）、第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）和负载（R）构成的带有耦合电感的输出级Boost变换器；

直流电源（V_in）的正极与第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）原边（n₁₁）的同名端连接，第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）原边（n₁₁）的非同名端与第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）副边（n₁₂）的同名端、第二二极管（D₂）的阳极、第四二极管（D_c1）的阳极连接，第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）副边（n₁₂）的非同名端与第一电容（C₁）的负极连接，第四二极管（D_c1）的阴极与第五二极管（D_r1）的阳极、第五电容（C_c1）的阳极连接，第一电容（C₁）的正极与第一二极管（D₁）的阳极、第五二极管（D_r1）的阴极连接，第一二极管（D₁）的阴极与第二电容（C₂）的正极、第六电容（C_c2）的负极、第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的原边（n₂₁）的同名端连接，第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的原边（n₂₁）的非同名端与开关管（Q）的漏极、第二二极管（D₂）的阴极、第六二极管（D_c2）的阳极、第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的副边（n₂₂）的同名端连接，第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的副边（n₂₂）的非同名端与第三电容（C₃）的负极连接，第六电容（C_c2）的正极与第六二极管（D_c2）的阴极、第七二极管（D_r2）的阳极连接，第七二极管（D_r2）的阴极与第三电容（C₃）的正极、第三二极管（D_o）的阳极连接，第三二极管（D_o）的阴极与第四电容（C_o）的正极、负载（R）的一端连接，负载（R）的另一端与直流电源（V_in）的负极、第五电容（C_c1）的负极、第二电容（C₂）的负极、开关管（Q）的源极、第四电容（C_o）的负极连接。

2.根据权利要求1所述的双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C₂-CCM模式和C₂-DCM模式，C₂-CCM模式中第一耦合电感（n₂₁:n₂₂）的电流和第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的电流均工作于连续导通模式；C₂-DCM模式中第一耦合电感（n₁₁:n₁₂）的电流工作于连续导通模式而第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的电流工作于断续导通模式。

3.根据权利要求1所述的双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+N₁)(2+N₂)/(1-D)²，其中D为开关管（Q）开通时间的占空比，N₁和N₂分别为第一耦合电感（n₂₁:n₂₂）和第二耦合电感（n₂₁:n₂₂）的副边与原边的匝数比。

4.根据权利要求3所述的双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）的电压应力为输出电压的1/(2+N₂)；开关管（Q）实现零电流开通，各二极管实现零电流关断。