CN104218800A - 一种高降压非隔离型dc/dc变换器 - Google Patents

一种高降压非隔离型dc/dc变换器 Download PDF

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一种高降压非隔离型DC/DC变换器，包含电感L1、L2，二极管D1、D2，开关管Sa、Sb和一个降压单元；开关管Sa、Sb的集电极同时接输入电源uin的正极，其中开关管Sa的发射极接降压单元的第一端口，开关管Sb的发射极接降压单元的第二端口；降压单元的第三端口和第四端口分别接第一电感L1一端、第二电感L2一端，同时在降压单元的第三端口和第一电感L1的接点处还连接第一二极管D1的阴极；在降压单元的第四端口和第二电感L2的接点处还连接第二二极管D2的阴极；第一电感L1另一端、第二电感L2的另一端同时接输出滤波电容Co的正极。本发明DC/DC变换器，不仅可以实现高降压变换，且降压单元中子模块数可根据实际应用场合的需要进行调节，应用范围广。

Description

一种高降压非隔离型DC/DC变换器
技术领域
本发明涉及一种直流-直流变换器，具体说是一种高降压非隔离型DC/DC变换器。
背景技术
现有技术中，基本的Buck降压变换器在应用与输入输出电压幅值相差较大的场合，如:计算机中CPU的供电电源，水下潜航器直流供电系统等。会出现器件电压、电流应力大、开关损耗损耗大、变换效率低、dv/dt大、EMI严重、抗输入电压扰动能力及动态性能差等问题。目前常见的解决方案通常有两种：①、借助于变压器：如反激变换器、单端正激变换器、半桥变换器、全桥变换器等，但与Buck变换器相比，不仅拓扑结构复杂，成本较高，变压器漏感还会导致器件应力增加、电磁干扰严重等问题；同时由于隔离型直流-直流变换器能量转换次数多，工作效率也不高。②、利用耦合电感：这类方案相比于隔离型变换器来说具有拓扑结构简单的优点，但由于漏感的存在，同样会导致器件应力大、电磁干扰严重等问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明解决现有非隔离型降压变换器在高降压场合存在降压能力不够，工作效率及功率密度不高等问题，提供一种具备高降压能力的非隔离型直流-直流变换器。
解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种高降压非隔离型DC/DC变换器，包含电感L1、L2，二极管D1、D2，开关管Sa、Sb和一个降压单元。开关管Sa、Sb的集电极同时接输入电源uin的正极，其中开关管Sa的发射极接降压单元的第一端口，开关管Sb的发射极接降压单元的第二端口；
降压单元的第三端口和第四端口分别接第一电感L1一端、第二电感L2一端，同时在降压单元的第三端口和第一电感L1的接点处还连接第一二极管D1的阴极；在降压单元的第四端口和第二电感L2的接点处还连接第二二极管D2的阴极；第一电感L1另一端、第二电感L2的另一端同时接输出滤波电容Co的正极，输出滤波电容Co的负极、第一二极管D1、以及第二二极管D2的阳极与输入电源uin的负极相连。
开关管Sa的栅极接控制器。
所述降压单元由多个子模块组成，其连接顺序是，第一个子模块的第三端口与第二个子模块的第一端口相连，第一个子模块的第四端口与第二个子模块的第二端口相连，依次类推，第n-1个子模块的第三端口与第n个子模块的第一端口相连，第n-1个子模块的第四端口与第n个子模块的二端口相连；同时，第一个子模块的第一端口和第二端口分别作为降压单元的第一端口和第二端口，第n个子模块的第三端口和第四端口分别作为降压单元的第三端口和第四端口。
所述子模块是由两个开关管S1、S2和两个电容C1、C2构成的四端口拓扑，其中下方电容C1的一端与下方开关管S1的发射极相连作为该子模块的第一端口①，电容C1的另一端与上方开关管S2集电极相连的节点，作为该子模块的第三端口③，上方电容C2的一端与上方开关管S2的发射极相连，作为该子模块的第二端口②，上方电容C2的另一端与下方开关管S1的集电极相连，作为该子模块的第四端口④。
所述各功率开关的栅极分别接各自的控制器。
其控制方式为：奇偶次功率开关采用交错控制策略；即序号为奇数的开关和序号为偶数的开关驱动相位之间相差180o。
相比现有技术，本发明一种高降压非隔离型DC/DC变换器，具有如下有益效果：
1）、本发明所提降压单元不仅可以实现高降压变换，且降压单元中子模块数可根据实际应用场合的需要进行调节，应用范围广。
2）、开关器件的电压应力低，且所有开关、二极管的电压应力均一致，有利于选择成本低，开关性能好的低耐压开关器件。
3）、不含有变压器和耦合电感，EMI特性好。
附图说明
图1是本发明非隔离型高降压比直流变换器一个实施例的电路原理图。
图2是本发明所述降压单元电路图。
图3是本发明所述降压单元中的子模块拓扑图。
具体实施方式
如图1所示，一种高降压非隔离型DC/DC变换器，由高压输入电源和DC/DC降压电路组成；该变换器包含两个电感L1、L2，两个二极管D1、D2，两个开关管Sa、Sb和一个降压单元。一个降压单元由4个开关管S1、S2、S3、S4；以及4个电容C1、C2、C3 、C4构成。开关管Sa、Sb的集电极同时接输入电源uin的正极，其中开关管Sa的发射极接降压单元的第一端口①，开关管Sb的发射极接降压单元的第二端口②。降压单元的第三端口③和第四端口④分别接第一电感L1的一端和第二电感L2的一端，同时在降压单元的第三端口③和第一电感L1的接点处还连接第一二极管D1的阴极，在降压单元的第四端口④和第二电感L2的接点处还连接第二二极管D2的阴极。第一电感L1另一端和第二电感L2的另一端同时接输出滤波电容Co的正极，输出滤波电容Co的负极、第一二极管D1和第二二极管D2的阳极与输入电源uin的负极相连。
其中降压单元由两个子模块组成，其连接顺序是，第一个子模块的第三端口③与第二个子模块的第一端口①相连，第一个子模块的第四端口④与第二个子模块的第二端口②相连；同时，第一个子模块的第一端口①和第二端口②分别作为降压单元的第一端口①和第二端口②，第二个子模块的第三端口③和第四端口④分别作为降压单元的第三端口③和第四端口④。
所述子模块是由两个开关管S1、S2和两个电容C1、C2构成的四端口拓扑，其中下方电容C1的一端与下方开关管S1的发射极相连作为该子模块的第一端口①，电容C1的另一端与上方开关管S2集电极相连的节点，作为该子模块的第三端口③，上方电容C2的一端与上方开关管S2的发射极相连，作为该子模块的第二端口②，上方电容C2的另一端与下方开关管S1的集电极相连，作为该子模块的第四端口④，如图3所示。
各功率开关的栅极分别接各自的控制器。
本发明一种高降压非隔离型DC/DC变换器，相比于传统Buck变换器具有3倍的降压比。该变换器输入端连接高压电压供电端，输出电压为可控的低压直流电。
根据功率开关状态的不同，可以将电路分为3种工作状态：
（1）、控制器控制功率开关Sa、S2、S4导通，功率开关Sb、S1、S3关断，此时输入电源uin通过功率开关Sa，向电容C1、C3，电感L1及输出滤波电容Co充电，同时也向负载R供电；电容C2、C4通过功率开关S2及二极管D2，向电容C3，电感L1及输出滤波电容Co充电，同时也向负载R供电；电容C4通过功率开关S4及二极管D2，向电感L1及输出滤波电容Co充电，同时也向负载R供电；电感L2通过二极管D2续流，同时向输出滤波电容Co和负载R供电；在该过程中，电容C1、C3及电感L1处于充电状态，电容C2、C4及电感L2处于放电状态，二极管D1处于关断状态。
（2、）控制器控制功率开关Sb、S1、S3导通，功率开关Sa、S2、S4关断，此时输入电源uin通过功率开关Sb，向电容C2、C4，电感L2及输出滤波电容Co充电，同时也向负载R供电；电容C1、C3通过功率开关S1及二极管D1，向电容C4，电感L2及输出滤波电容Co充电，同时也向负载R供电；电容C3通过功率开关S3及二极管D1，向电感L2及输出滤波电容Co充电，同时也向负载R供电；电感L1通过二极管D1续流，同时向输出滤波电容Co和负载R供电；在该过程中，电容C2、C4及电感L2处于充电状态，电容C1、C3及电感L1处于放电状态，二极管D2处于关断状态。
（3）、功率开关均关断，此时电感L1通过二极管D1续流，电感L2通过二极管D2续流，并同时向输出滤波电容Co和负载R供电；功率开关Sa、Sb、S1、S2、S3、S4均关断，输入电源及电容C1、C2、C3、C4上均没有电流流过。
在本发明的具体实施方式中，功率开关和二极管根据实际系统中的输入电压和降压单元内子模块的数量而选择不同电压应力的器件，相比传统方案具有电压应力低的特点。
本发明使用的功率开关为开关器件，功率开关的开启与关闭受到控制器的控制，上述具有3倍于传统Buck变换器降压能力的直流变换器，由控制器控制奇偶次功率开关采用交错控制策略，即序号为奇数的开关和序号为偶数的开关驱动相位之间相差180o，其中开关管Sa的控制信号与偶次开关的控制信号一致，开关管Sb的控制信号与奇次开关的控制信号一致，占空比大小根据输入输出关系决定。
综上所述，该电路降压能力强，且开关器件电压应力低，适合应用于一些输入输出电压差较大的应用场合。再此仅以IGBT为例子而已，也可选择其它全控型器件。
本发明的上述实施范例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种高降压非隔离型DC/DC变换器，包含电感L1、L2，二极管D1、D2，开关管Sa、Sb和一个降压单元；其特征在于，开关管Sa、Sb的集电极同时接输入电源uin的正极，其中开关管Sa的发射极接降压单元的第一端口，开关管Sb的发射极接降压单元的第二端口；
降压单元的第三端口和第四端口分别接第一电感L1一端、第二电感L2一端，同时在降压单元的第三端口和第一电感L1的接点处还连接第一二极管D1的阴极；在降压单元的第四端口和第二电感L2的接点处还连接第二二极管D2的阴极；第一电感L1另一端、第二电感L2的另一端同时接输出滤波电容Co的正极，输出滤波电容Co的负极、第一二极管D1、以及第二二极管D2的阳极与输入电源uin的负极相连；
开关管Sa的栅极接控制器。
2.根据权利要求1所述一种高降压非隔离型DC/DC变换器，其特征在于，降压单元由多个子模块组成，其连接顺序是，第一个子模块的第三端口与第二个子模块的第一端口相连，第一个子模块的第四端口与第二个子模块的第二端口相连，依次类推，第n-1个子模块的第三端口与第n个子模块的第一端口相连，第n-1个子模块的第四端口与第n个子模块的二端口相连；同时，第一个子模块的第一端口和第二端口分别作为降压单元的第一端口和第二端口，第n个子模块的第三端口和第四端口分别作为降压单元的第三端口和第四端口。
3.根据权利要求1或2所述一种高降压非隔离型DC/DC变换器，其特征在于，所述子模块是由两个开关管S1、S2和两个电容C1、C2构成的四端口拓扑，其中下方电容C1的一端与下方开关管S1的发射极相连作为该子模块的第一端口（①），电容C1的另一端与上方开关管S2集电极相连的节点，作为该子模块的第三端口（③），上方电容C2的一端与上方开关管S2的发射极相连，作为该子模块的第二端口（②），上方电容C2的另一端与下方开关管S1的集电极相连，作为该子模块的第四端口（④）。
4.根据权利要求3所述一种高降压非隔离型DC/DC变换器，其特征在于，开关管的栅极分别接各自的控制器。
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Assignor: CHINA THREE GORGES University

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Denomination of invention: A High buck Non isolated DC/DC Converter

Granted publication date: 20160615

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