CN104104232A - 一种隔离型高增益dc/dc变换器 - Google Patents

Abstract

一种隔离型高增益DC/DC变换器，包括第一电感L₁、第二电感L₂、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、双绕组变压器T₀，第一电感L₁的输入端、第二电感L₂的输入端连接输入电源U_in的正极，第一电感L₁的输出端、第二电感L₂的输出端分别连接第一功率开关管S₁的漏极、第二功率开关管S₂的漏极，第一功率开关管S₁的源极、第二功率开关管S₂的源极均连接输入电源U_in的负极，第一功率开关管S₁的栅极、第二功率开关管S₂的栅极分别连接各自控制器；第一电感L₁的输出端连接双绕组变压器T₀初级绕组的一端，第二电感L₂的输出端连接双绕组变压器T₀初级绕组的另一端，本发明变换器，高增益整流单元的增益比可调，方便应用于不同的工作场合。

Description

一种隔离型高增益DC/DC变换器

技术领域

本发明一种DC/DC变换器，特别是一种隔离型高增益DC/DC变换器。

背景技术

现有技术中，传统的升压型隔离变换器，参见说明书附图中的附图1，以L式隔离型升压变换器为例。它包括两个电感L₁、L₂，两个功率开关管S₁、S₂，一个变压器T₀和一个输出整流单元。其中，第一个电感L₁的输入端与第二个电感L₂的输入端一起连接输入电源U_in的正极，输出端接变压器T₀初级的上端，在第一电感L₁和变压器T₀初级的上端之间接第一功率开关管S₁的漏极，第一功率开关管S₁源极连接变换器T₀的负极；第二个电感L₂的输出端接变压器T₀初级的下端，在第二电感L₂和变压器T₀初级的下端之间接第二功率开关管S₂的漏极，第二功率开关管S₂源极接变换器T₀的负极；变压器T₀次级的上端接桥式整流电路中第一桥臂，即第一输出二极管D_O1的阳极和第二输出二极管D_O2的阴极，变压器T₀次级的下端接桥式整流电路中第二桥臂，即第三输出二极管D_O3的阳极和第四输出二极管D_O4的阴极；第一输出二极管D_O1和第三输出二极管D_O3的阴极接输出滤波电容C₀的上端及负载R_L的正极，第二输出二极管D_O2和第四输出二极管D_O4的阳极接输出滤波电容C₀的下端及负载R_L的负极。这种传统的升压型隔离变换器，输出电压增益仅能通过扩大变压器初次级绕组的匝数比来实现，容易引入较大的了漏感，损耗较大，变换器T₀工作效率和功率密度较低。近年来，出现了一些具有高增益升压能力的隔离型变换器，目前主要存在的问题有：变压器初级绕组这边电路结构复杂，控制方案也较难实现；次级高增益整流电路的增益比不可调节等。

发明内容

解决现有DC/DC变换器存在能量转换效率降低、功率密度不高等问题，本发明提供一种隔离型高增益DC/DC变换器。与现有的隔离型高增益DC/DC变换器相比，其电路拓扑简单，不改变变换器控制器设计及实现方案，高增益整流单元的增益比可调，方便应用于不同的工作场合。

本发明采取的技术方案为：一种隔离型高增益DC/DC变换器，包括第一电感L₁、第二电感L₂、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、双绕组变压器T₀， 第一电感L₁的输入端、第二电感L₂的输入端连接输入电源U_in的正极，第一电感L₁的输出端、第二电感L₂的输出端分别连接第一功率开关管S₁的漏极、第二功率开关管S₂的漏极，第一功率开关管S₁的源极、第二功率开关管S₂的源极均连接输入电源U_in的负极，第一功率开关管S₁的栅极、第二功率开关管S₂的栅极分别连接各自控制器；第一电感L₁的输出端连接双绕组变压器T₀初级绕组的一端，第二电感L₂的输出端连接双绕组变压器T₀初级绕组的另一端，双绕组变压器T₀次级绕组连接高增益整流电路，高增益整流电路连接滤波电容C₀。

所述高增益整流电路由n个增益单元、第一输出二极管D_O1、第二输出二极管D_O2、第三输出二极管D_O3、第四输出二极管D_O4构成；

所述高增益整流电路包括四个端口：第一端口①、第二端口②、第三端口③、第四端口④； n个增益单元中，每1个增益单元包括两个二极管、两个电容，第1个增益单元包括二极管D₁、二极管D₂、电容C₁、电容C₂，电容C₂一端连接二极管D₂阳极，二极管D₂阴极连接电容C₁另一端，电容C₂另一端连接二极管D₁阴极，二极管D₁阳极连接电容C₁一端；……依次类推，第n个增益单元包括二极管D_2n-1、二极管D_2n、电容C_2n-1、电容C_2n，电容C_2n一端连接二极管D_2n阳极，二极管D_2n阴极连接电容C_2n-1另一端，电容C_2n另一端连接二极管D_2n-1阴极，二极管D_2n-1阳极连接电容C_2n-1一端。

高增益整流电路的第一端口①连接第三输出二极管D_O3的阴极和第n个增益单元的左上端、即电容C_2n的一端和二极管D_2n的阳极，在第n个增益单元中，二极管D_2n的阴极和电容C_2n-1的另一端相连并作为第n个增益单元的右下端；

高增益整流电路的第二端口②接第四输出二极管D_o4的阴极和第n个增益单元的左下端、即电容C_2n-1的一端和二极管D_2n-1的阳极，在第n个增益单元中，二极管D_2n-1的阴极和电容C_2n的另一端相连并作为第n个增益单元的右上端；

此后n个增益单元按照从左向右的次序依次相连，即第n个增益单元的右上端连接第n-1个增益单元的左上端，第n个增益单元的右下端连接第n-1个增益单元的左下端；直到第1个增益单元的右上端连接第二输出二极管D_o2的阳极，第1个增益单元的右下端连接第一输出二极管D_o1的阳极；第一输出二极管D_o1和第二输出二极管D_o2的阴极相连、并作为高增益整流电路的第三端口③，第三端口③与滤波电容C_o一端和负载R_L的正极相连，第三输出二极管D_o3的阳极和第四输出二极管D_o4的阳极相连、并作为高增益整流电路的第四端口④，第四端口④与滤波电容C_o另一端和负载R_L的负极相连。

本发明一种隔离型高增益DC/DC变换器，有益效果如下：

1）、本发明利用高增益整流电路实现变换器的高增益输出，所述高增益整流电路中含有多个结构完全相同的增益单元和4个输出二极管，每增加一个增益单元都可在原电路的增益基础之上提高一倍的基础增益，易于调节，可以适应不同输入输出增益要求的应用场合。

2）、通过所述高增益整流电路，无须较大的变压器变比即可实现高增益输出，变压器易于绕制，漏感小，工作效率较高。

3）、与现有的高增益升压变换器相比，本发明电路拓扑简单，控制系统设计和实现难度均较低。

附图说明

图1为背景技术中所述基本L式隔离型DC/DC变换器电路原理图。

图2为包含两个增益单元的隔离型高增益DC/DC变换器的电路原理图。

图3为包含n个增益单元的高增益整流电路的电路原理图。

具体实施方式

如图2所示，一种隔离型高增益DC/DC变换器，由低压输入电源U_in和DC/DC升压电路组成；包含第一电感L₁、第二电感L₂、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂；4个输出二极管：第一输出二极管D_o1、第二输出二极管D_o2、第三输出二极管D_o3、第四输出二极管D_o4；4个辅助二极管：二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄和4个辅助电容：电容C₁、电容C₂、电容C₃、电容C₄。第一电感L₁的输入端接输入电源U_in的正极，第一电感L₁的输出端连接双绕组变压器T₀初级绕组的一端，在第一电感L₁和双绕组变压器T₀初级绕组的一端的结点和输入电源U_in的负极之间、连接第一功率开关管S₁，第一功率开关管S₁源极接输入电源U_in的负极，第一功率开关管S₁漏极与所述结点相连。第二电感L₂的输入端接输入电源U_in的正极，第二电感L₂的输出端连接变压器T₀初级绕组的另一端，在第二电感L₂和变压器T₀初级绕组的另一端的结点和输入电源U_in的负极之间接第二功率开关管S₂，第二功率开关管S₂源极接输入电源U_in的负极，第二功率开关管S₂漏极与所述结点相连。变压器T₀次级绕组的一端接第三输出二极管D_o3的阴极、二极管D₄的阳极以及电容C₄的一端，电容C₄的另一端接二极管D₃的阴极、二极管D₂的阳极以及电容C₂的一端；电容C₂的另一端接第二输出二极管D_o2的阳极。变压器T0次级绕组的另一端接第四输出二极管D_o4的阴极、二极管D₃的阳极以及电容C₃一端，电容C₃另一端接二极管D₄的阴极、二极管D₁的阳极以及电容C₁一端，电容C₁另一端接第一输出二极管D_o1的阳极。第一输出二极管D_o1和第二输出二极管D_o2的阴极相连、并接滤波电容C_o的一端和负载R_L的正极，第三输出二极管D_o3阳极和第四输出二极管D_o4的阳极相连、并接滤波电容C_o的另一端和负载RL的负极。

隔离型高增益DC/DC变换器相比于传统的隔离型升压变换器具有3倍的增益比。该变换器输入端连接电压供电模块，如：光伏电池、燃料电池等，输出电压U₀为可控的高压直流电。

根据功率开关管状态的不同，可以将电路分为3种工作状态：

1）、控制器控制第一功率开关管S₁关断，第二功率开关管S₂导通，此时低压电源、第一电感L₁通过第二功率开关管S₂以及变压器T₀初级，并通过变压器T₀次级放电，初级电流大小为第一电感L₁的电流，次级电流大小按变压器T₀变比进行缩放，其中三分之一通过二极管D₄向电容C₃充电，三分之一通过电容C₄和二极管D₂向电容C₁、电容C₃充电，另外三分之一通过电容C₂、电容C₄和第二输出二极管D_o2、第四输出二极管D_o4向滤波电容C_o和负载供电。此时第二功率开关管S₂保持开通状态，低压电源通过第二功率开关管S₂向第二电感L₂充电；二极管D₁、D₃及第一输出二极管D_o1、第三输出D_o3均关断。

2）、控制器控制第二功率开关管S₂关断，第一功率开关管S₁导通，此时低压电源、第二电感L₂通过第一功率开关管S₁以及变压器T₀初级，并通过变压器T₀次级放电，初级电流大小为第二电感L₂的电流，次级电流大小按变压器T₀变比进行缩放，其中三分之一通过二极管D₃向电容C₄充电，三分之一通过电容C₃和二极管D₁向电容C₂、电容C₄充电，另外三分之一通过电容C₁、电容C₃和第一输出二极管D_o1、第三输出二极管D_o3向滤波电容C_o和负载RL供电；此时第一功率开关管S₁保持开通状态，低压电源通过第一功率开关管S₁向第一电感L₁充电；二极管D₂、二极管D₄及第二输出二极管D_o2、第四输出二极管D_o4均关断。

3）、功率开关管均导通，此时低压电源通过第一功率开关管S₁和第二功率开关管S₂分别向第一电感L₁和第二电感L₂充电；二极管D₁、D₂、D₃、D₄和二极管D_o1、D_o2、D_o3、D_o4均关断。

在本发明的具体实施方式中，功率开关管根据实际系统中所需直流母线电压、变压器变比以及高增益整流单元中增益单元的数量，而选择不同电压应力的开关器件，相比传统方案具有电压应力低的特点。

本发明使用的第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂为开关器件，第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂的开启与关闭受到各自独立的控制器的控制，上述的具有3倍高增益能力的隔离型升压直流变换器，由控制器控制两相功率开关管的占空比每相之间相位相差180°。其各相占空比大小根据输入输出关系决定。

综上所述，该电路拓扑结构简单，升压能力强，适合应用于一些输入输出电压差较大且需要电气隔离的应用场合。

图2中，第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂漏源极之间的二极管，为开关管自带的体二极管，再此仅只是一个MOS管的例子而已。实施范例仅仅是为了工作原理阐述简单而采用的方案，在实际的应用中，能够根据实际应用情况合理选择高增益整流单元中增益单元的数量。

Claims (3)

1.一种隔离型高增益DC/DC变换器，包括第一电感L₁、第二电感L₂、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、双绕组变压器T₀，其特征在于，

第一电感L₁的输入端、第二电感L₂的输入端连接输入电源U_in的正极，第一电感L₁的输出端、第二电感L₂的输出端分别连接第一功率开关管S₁的漏极、第二功率开关管S₂的漏极，第一功率开关管S₁的源极、第二功率开关管S₂的源极均连接输入电源U_in的负极，第一功率开关管S₁的栅极、第二功率开关管S₂的栅极分别连接各自控制器；

第一电感L₁的输出端连接双绕组变压器T₀初级绕组的一端，第二电感L₂的输出端连接双绕组变压器T₀初级绕组的另一端，双绕组变压器T₀次级绕组连接高增益整流电路，高增益整流电路连接滤波电容C₀。

2.根据权利要求1所述一种隔离型高增益DC/DC变换器，其特征在于，所述高增益整流电路由n个增益单元、第一输出二极管D_O1、第二输出二极管D_O2、第三输出二极管D_O3、第四输出二极管D_O4构成；

所述高增益整流电路包括四个端口：第一端口①、第二端口②、第三端口③、第四端口④； n个增益单元中，每1个增益单元包括两个二极管、两个电容，第1个增益单元包括二极管D₁、二极管D₂、电容C₁、电容C₂，电容C₂一端连接二极管D₂阳极，二极管D₂阴极连接电容C₁另一端，电容C₂另一端连接二极管D₁阴极，二极管D₁阳极连接电容C₁一端；……依次类推，第n个增益单元包括二极管D_2n-1、二极管D_2n、电容C_2n-1、电容C_2n，电容C_2n一端连接二极管D_2n阳极，二极管D_2n阴极连接电容C_2n-1另一端，电容C_2n另一端连接二极管D_2n-1阴极，二极管D_2n-1阳极连接电容C_2n-1一端。

3.根据权利要求2所述一种隔离型高增益DC/DC变换器，其特征在于，高增益整流电路的第一端口①连接第三输出二极管D_O3的阴极和第n个增益单元的左上端、即电容C_2n的一端和二极管D_2n的阳极，在第n个增益单元中，二极管D_2n的阴极和电容C_2n-1的另一端相连并作为第n个增益单元的右下端；

高增益整流电路的第二端口②接第四输出二极管D_o4的阴极和第n个增益单元的左下端、即电容C_2n-1的一端和二极管D_2n-1的阳极，在第n个增益单元中，二极管D_2n-1的阴极和电容C_2n的另一端相连并作为第n个增益单元的右上端；

此后n个增益单元按照从左向右的次序依次相连，即第n个增益单元的右上端连接第n-1个增益单元的左上端，第n个增益单元的右下端连接第n-1个增益单元的左下端；直到第1个增益单元的右上端连接第二输出二极管D_o2的阳极，第1个增益单元的右下端连接第一输出二极管D_o1的阳极；第一输出二极管D_o1和第二输出二极管D_o2的阴极相连、并作为高增益整流电路的第三端口③，第三端口③与滤波电容C_o一端和负载R_L的正极相连，第三输出二极管D_o3的阳极和第四输出二极管D_o4的阳极相连、并作为高增益整流电路的第四端口④，第四端口④与滤波电容C_o另一端和负载R_L的负极相连。