CN104218801A - 一种非隔离型高增益dc/dc变换器 - Google Patents

一种非隔离型高增益dc/dc变换器 Download PDF

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任路路
潘海龙
佘小莉
黄悦华
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Abstract

一种非隔离型高增益DC/DC变换器，包含电感L1、L2，功率开关S1、S2，二极管D1、D2、D3、D4、电容C1、C2、C3、C4；第一电感L1一端、第二电感L2的一端同时接输入电源uin的正极，第一电感L1另一端、第二电感L2的另一端分别接第一功率开关S1的漏极、第二功率开关S2的漏极；第一功率开关S1的源极、第二功率开关S2的源极接输入电源uin的负极；第一功率开关S1、第二功率开关S2的栅极分别接各自的控制器。本发明一种非隔离型高增益DC/DC变换器，与现有的高增益升压变换器相比，不含有变压器和耦合电感，EMI特性好，电路拓扑简单，控制系统设计和实现难度均较低。

Description

一种非隔离型高增益DC/DC变换器
技术领域
本发明涉及一种直流-直流变换器，具体说是一种非隔离型高增益DC/DC变换器。
背景技术
在现有技术中，基本的两相升压型(Boost)交错并联变换器，参见说明书附图中的附图1，包括两个电感L1、L2，两个功率开关管S1、S2，两个输出二极管D1、D2。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Vin的正极，输出端Vin接第一个输出二极管D1的阳极，第一个二极管D1的阴极与第二个二极管D2的阴极一起接变换器输出端VOUT的正极；在第一电感L1和第一个二极管D1的阳极之间接第一功率开关S1的漏极，第一功率开关S1源极接变换器的负极；第二个电感L2的输出端接第二个输出二极管D2的阳极，在第二电感L2和第二个二极管D2的阳极之间接第二功率开关S2的漏极，第二功率开关源S2极接变换器的负极。这种变换器输入输出电压增益较小，且功率开关管S1、S2和二极管D1、D2的电压应力均为输出电压，电压应力高，损耗较大。且在一些输入输出电压差较大的场合，其输入输出升压能力难以满足要求，如：光伏电池并网，X光机电源等。
目前，实现高增益变换通常有三种方式：①、借助于变压器：在原有的直流-直流变换器中间加入一个高频的变压器，通过改变变压器变比实现高增益升压的目的，但该方案能量转换过程复杂，整个系统的能量转换效率低。②、利用开关电容：此种方案所需开关器件多，且控制及驱动电路实现复杂。③利用耦合电感：耦合电感的使用，常会引起开关器件电压应力过高，且会带来电磁干扰等影响。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，为解决现有升压变换器存在升压能力不够，工作效率及功率密度不高等问题，本发明提供一种具备高增益能力的非隔离型直流-直流变换器。
本发明采取的技术方案为：
一种非隔离型高增益DC/DC变换器，包含电感L1、L2，功率开关S1、S2，二极管D1、D2、D3、D4、电容C1、C2、C3、C4；第一电感L1一端、第二电感L2的一端同时接输入电源uin的正极，第一电感L1另一端、第二电感L2的另一端分别接第一功率开关S1的漏极、第二功率开关S2的漏极；第一功率开关S1的源极、第二功率开关S2的源极接输入电源uin的负极；第一功率开关S1、第二功率开关S2的栅极分别接各自的控制器；二极管D1、D2串联，二极管D3、D4串联，其中二极管D1的阴极与二极管D2的阳极相连，二极管D3的阴极与二极管D4的阳极相连；电容C1、C2串联，电容C3、C4串联，其中电容C1、C3位于上方，电容C2、C4位于下方；电容C1的上端与二极管D1、D2串联的结点相连，电容C2的上端与二极管D3、D4串联的结点相连；电容C3的上端与二极管D2的阴极相连，并作为输出端uo的正极，电容C4的下端与二极管D3的阳极相连，并作为输出端uo的负极；同时第一电感L1的另一端也接二极管D1的阳极和电容C3、C4串联的结点，第二电感L2的另一端也接电容C1、C2串联的结点；二极管D4的阴极与输入电源uin的负极相连。
第一功率开关S1、第二功率开关S2，其控制方式为各相功率开关采用交错控制策略，即：每相开关驱动相位之间相差180o。
相比现有技术，本发明一种非隔离型高增益DC/DC变换器，具有如下有益效果：
1）、本发明利用四个二极管和四个电容组成高增益升压网络，实现了四倍于基本Boost升压变换器的输入输出电压增益。
2）、电路中开关器件的电压应力低，其中开关管的电压应力仅为基本Boost升压变换器的四分之一。
3）、与现有的高增益升压变换器相比，不含有变压器和耦合电感，EMI特性好，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是本背景技术中所述两相升压型（Boost）交错并联变换器电路原理图。
图2是本发明电路原理图。
具体实施方式
如图2所示，一种非隔离型高增益DC/DC变换器，由低压输入电源和DC/DC升压电路组成；该变换器包含两个电感L1、L2，两个功率开关S1、S2，四个二极管D1、D2、D3、D4和四个电容C1、C2、C3、C4。
第一电感L1一端、第二电感L2的一端同时接输入电源uin的正极，第一电感L1另一端、第二电感L2的另一端分别接第一功率开关S1的漏极、第二功率开关S2的漏极；第一功率开关S1的源极、第二功率开关S2的源极接输入电源uin的负极；两个功率开关S1、S2的栅极分别接各自的控制器。
二极管D1、D2串联，D3、D4串联，其中二极管D1的阴极与二极管D2的阳极相连，二极管D3的阴极与二极管D4的阳极相连；电容C1、C2串联，C3、C4串联，其中电容C1、C3位于上方，电容C2、C4位于下方；电容C1的上端与二极管D1、D2串联的结点相连，电容C2的上端与二极管D3、D4串联的结点相连；电容C3的上端与二极管D2的阴极相连，并作为输出端uo的正极，电容C4的下端与二极管D3的阳极相连，并作为输出端uo的负极；
同时第一电感L1的另一端也接二极管D1的阳极和电容C3、C4串联的结点，第二电感L2的另一端也接电容C1、C2串联的结点；二极管D4的阴极与输入电源uin的负极相连。
功率开关S1、S2的栅极分别接各自的控制器。
所述的非隔离型高增益DC/DC变换器，相比于传统的Boost升压变换器具有4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)，输出电压为可控的高压直流电。
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S1关断，功率开关S2导通，此时电感L1的电流一部分通过二极管D1、开关S2及低压输入电源向电容C1充电，另一部分通过二极管D3、电容C2、开关S2及低压电源向电容C4充电，该过程中低压输入电源、电感L1、电容C2均处于放电状态，电容C1、C4处于充电状态；此时功率开关S2保持开通状态，低压电源通过功率开关S2向电感L2充电；二极管D2、D4均关断。
（2）、控制器控制功率开关S2关断，功率开关S1导通，此时电感L2的电流一部分通过二极管D4及低压输入电源向电容C2充电，另一部分通过电容C1、二极管D2、开关S1及低压电源向电容C3充电，该过程中低压输入电源、电感L2、电容C1均处于放电状态，电容C2、C3处于充电状态；此时功率开关S1保持开通状态，低压电源通过功率开关S1向电感L1充电；二极管D1、D3均关断。
（3）、功率开关均导通，此时低压电源通过功率开关S1和功率开关S2分别向电感L1和电感L2充电；二极管D1、D2、D3、D4均关断。
在上述三个工作过程中，由电容C3、C4向负载供电。
在本发明的具体实施方式中，功率开关根据实际系统中的输出电压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4倍于传统Boost变换器升压能力的直流变换器，由控制器控制两相功率开关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的应用场合。图2中开关管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。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 (2)

1.一种非隔离型高增益DC/DC变换器，包含电感L1、L2，功率开关S1、S2，二极管D1、D2、D3、D4、电容C1、C2、C3、C4；其特征在于，第一电感L1一端、第二电感L2的一端同时接输入电源uin的正极，第一电感L1另一端、第二电感L2的另一端分别接第一功率开关S1的漏极、第二功率开关S2的漏极；
第一功率开关S1的源极、第二功率开关S2的源极接输入电源uin的负极；
第一功率开关S1、第二功率开关S2的栅极分别接各自的控制器；
二极管D1、D2串联，二极管D3、D4串联，其中二极管D1的阴极与二极管D2的阳极相连，二极管D3的阴极与二极管D4的阳极相连；
电容C1、C2串联，电容C3、C4串联，其中电容C1、C3位于上方，电容C2、C4位于下方；电容C1的上端与二极管D1、D2串联的结点相连，电容C2的上端与二极管D3、D4串联的结点相连；电容C3的上端与二极管D2的阴极相连，并作为输出端uo的正极，电容C4的下端与二极管D3的阳极相连，并作为输出端uo的负极；
同时第一电感L1的另一端也接二极管D1的阳极和电容C3、C4串联的结点，第二电感L2的另一端也接电容C1、C2串联的结点；二极管D4的阴极与输入电源uin的负极相连。
2.根据权利要求1所述一种非隔离型高增益DC/DC变换器，其特征在于，第一功率开关S1、第二功率开关S2，其控制方式为各相功率开关采用交错控制策略，即：每相开关驱动相位之间相差180o。
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