CN106452077B - 带开关电感电容的高升压直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带开关电感电容的高升压直流变换器，其技术特点是：包括输入直流电压Vi、第一开关电感电容模块、第二开关电感电容模块、第三开关电感电容模块、3个MOSFET开关管、二极管D6、输出电容Co和输出负载Ro。本发明将输入直流电压Vi通过电容和开关电感充放电来实现高电压转换增益，满足了工业应用中高电压转换增益的要求；MOSFET开关管的电压应力小，可提高直流变换器的工作效率；电感电流尖波较低，降低了输出直流电压Vo的纹波，可被广泛地应用于直流变换技术领域。

Description

带开关电感电容的高升压直流变换器

技术领域

本发明属于直流变换器技术领域，尤其是一种带开关电感电容的高升压直流变换器。

背景技术

随着高压直流开关电源的应用，升压型DC/DC变换器在许多工业领域内越来越受欢迎。按照是否存在隔离，DC/DC变换器分为隔离型和非隔离型变换器。隔离型变换器是将交流环节添加到基本的直流-直流变换器中，来实现更高的电压转换率，交流环节通常采用变压器实现输入和输出之间的隔离，故该转换器也称为直-交-直变换器。与非隔离型变换器相比，隔离型变换器更容易实现升压，但由于隔离变换器开关浪涌能量损失大，体积和重量相对较大，这些都增加了直流变换器的成本，所以非隔离型变换器越来越受到研究者的青睐。

目前，基于经典的非隔离DC/DC拓扑结构有几种先进的增强电路，如SC、SL、AH-SLC和SH-SLC变换器。虽然SL、SC转换器可以实现比较高的电压转换增益，但仍然有限，并不能满足许多行业的需求；同时，它们的开关电压应力高，从而降低了工作效率。虽然AH-SLC和SH-SLC转换器可以实现更高的电压转换增益，更高的工作效率，较低的电压应力和电感电流尖波；但伴随着工业应用市场所对高电压的需求越来越高，如何在实现更高的电压转换增益的同时进一步提供工作效率是行业内迫切需要解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、开关管电压应力小且能够实现高升压增益的直流变换器。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种带开关电感电容的高升压直流变换器，包括输入直流电压Vi、第一开关电感电容模块、第二开关电感电容模块、第三开关电感电容模块、3个MOSFET开关管、二极管D6、输出电容Co和输出负载Ro；

所述输入直流电压Vi的正极与MOSFET开关管S1的一端相连接，该MOSFET开关管S1的另一端分别与第一开关电感电容模块、第二开关电感电容模块和MOSFET开关管S4的一端相连接；所述第一开关电感电容模块分别与输入直流电压Vi的负极、MOSFET开关管S3的一端和第三开关电感电容模块相连接；所述第二开关电感电容模块分别与所述MOSFET开关管S4的一端、MOSFET开关管S3的另一端和二极管D6的阳极相连接；该二极管D6的阴极分别与输出电容Co的正极和输出负载Ro的正极相连接；所述第三开关电感电容模块分别与MOSFET开关管S4的另一端、输出电容Co的负极和输出负载Ro的负极相连接。

而且，所述第一开关电感电容模块由电容C1、电容C2、电感L1、MOSFET开关管S2和二极管D1组成；所述电容C1的一端分别与所述MOSFET开关管S1的另一端、第二开关电感电容模块、MOSFET开关管S4的一端和MOSFET开关管S2的一端相连接；该电容C1的另一端分别与所述输入直流电压Vi的负极、电感L1的一端和二极管D1的阴极相连接；所述电感L1的另一端分别与MOSFET开关管S2的另一端和电容C2的一端相连接；所述二极管D1的阳极和电容C2的另一端共同与所述MOSFET开关管S3的一端和所述第三开关电感电容模块相连接；

所述第二开关电感电容模块由电感L2、电感L3、电容C3、二极管D2和二极管D3组成；所述电感L2的一端分别与所述MOSFET开关管S1的另一端、第一开关电感电容模块、所述二极管D2的阳极和所述MOSFET开关管S4的一端相连接；所述电感L2的另一端分别与电容C3的一端和二极管D3的阳极相连接；该电容C3的另一端分别与二极管D2的阴极和电感L3的一端相连接；所述电感L3的另一端和二极管D3的阴极共同与所述MOSFET开关管S3的另一端和二极管D6的阳极相连接；

所述第三开关电感电容模块由电感L4、电感L5、电容C4、二极管D4、和二极管D5组成；所述电感L4的一端分别与所述MOSFET开关管S4的另一端、二极管D4的阳极、输出电容Co的负极和输出负载R的负极相连接；该电感L4的另一端分别与所述电容C4的一端和二极管D5的阳极相连接；该电容C4的另一端分别与二极管D4的阴极和电感L5的一端相连接；所述电感L5的另一端和二极管D5的阴极共同与MOSFET开关管S3的一端、所述电容C2的另一端和所述二极管D1的阳极相连接。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明将输入直流电压Vi通过电容和开关电感充放电来实现高电压转换增益，满足了工业应用中高电压转换增益的要求。

2、本发明的MOSFET开关管的电压应力小，可提高直流变换器的工作效率；且电感电流尖波较低，降低了输出直流电压Vo的纹波，可广泛地应用于直流变换技术领域。

附图说明

图1是本发明的电路图；

图2是4个MOSFET开关管S1、S2、S3、S4的驱动信号Vgs图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种带开关电感的高升压直流变换器，如图1所示，包括输入直流电压Vi、第一开关电感电容模块、第二开关电感电容模块、第三开关电感电容模块、3个MOSFET开关管、二极管D6、输出电容Co和输出负载Ro。

所述输入直流电压Vi的正极与MOSFET开关管S1的一端相连接，该MOSFET开关管S1的另一端分别与第一开关电感电容模块、第二开关电感电容模块和MOSFET开关管S4的一端相连接；所述第一开关电感电容模块分别与输入直流电压Vi的负极、MOSFET开关管S3的一端和第三开关电感电容模块相连接；所述第二开关电感电容模块分别与所述MOSFET开关管S4的一端、MOSFET开关管S3的另一端和二极管D6的阳极相连接；该二极管D6的阴极分别与输出电容Co的正极(输出直流电压Vo的正极)和输出负载Ro的正极(输出直流电压Vo的正极)相连接；所述第三开关电感电容模块分别与MOSFET开关管S4的另一端、输出电容Co的负极(输出直流电压Vo的负极)和输出负载Ro的负极(输出直流电压Vo的负极)相连接。

所述第一开关电感电容模块由电容C1、电容C2、电感L1、MOSFET开关管S2和二极管D1组成；所述电容C1的一端分别与所述MOSFET开关管S1的另一端、第二开关电感电容模块、MOSFET开关管S4的一端和MOSFET开关管S2的一端相连接；该电容C1的另一端分别与所述输入直流电压Vi的负极、电感L1的一端和二极管D1的阴极相连接；所述电感L1的另一端分别与MOSFET开关管S2的另一端和电容C2的一端相连接；所述二极管D1的阳极和电容C2的另一端共同与所述MOSFET开关管S3的一端和所述第三开关电感电容模块相连接。

所述第二开关电感电容模块由电感L2、电感L3、电容C3、二极管D2和二极管D3组成；所述电感L2的一端分别与所述MOSFET开关管S1的另一端、第一开关电感电容模块、所述二极管D2的阳极和所述MOSFET开关管S4的一端相连接；所述电感L2的另一端分别与电容C3的一端和二极管D3的阳极相连接；该电容C3的另一端分别与二极管D2的阴极和电感L3的一端相连接；所述电感L3的另一端和二极管D3的阴极共同与所述MOSFET开关管S3的另一端和二极管D6的阳极相连接。

所述第三开关电感电容模块由电感L4、电感L5、电容C4、二极管D4、和二极管D5组成；所述电感L4的一端分别与所述MOSFET开关管S4的另一端、二极管D4的阳极、输出电容Co的负极(输出直流电压Vo的负极)和输出负载R的负极(输出直流电压Vo的负极)相连接；该电感L4的另一端分别与所述电容C4的一端和二极管D5的阳极相连接；该电容C4的另一端分别与二极管D4的阴极和电感L5的一端相连接；所述电感L5的另一端和二极管D5的阴极共同与MOSFET开关管S3的一端、所述电容C2的另一端和所述二极管D1的阳极相连接。

图2给出了4个MOSFET开关管S1、S2、S3、S4的驱动信号Vgs图，在本实施例中，4个MOSFET开关管S1、S2、S3、S4同时导通或同时关断。一个周期Ts分为开关导通时间段Ton和开关关断时间段Toff，开关导通时间段Ton为t0-t1，用占空比D表示，则为DTs；开关关断时间段Toff为t1-t2，用占空比D表示，则为(1-D)Ts。

本发明的工作原理为：当4个MOSFET开关管S1、S2、S3、S4处于图2所示的Ton时间段内时，输入直流电压Vi经MOSFET开关管S1给电容C1充电；经MOSFET开关管S1、MOSFET开关管S2给电感L1充电；经MOSFET开关管S1、MOSFET开关管S2、二极管D1给电容C2充电；经MOSFET开关管S1、MOSFET开关管S3、二极管D3和二极管D1给电感L2充电；经MOSFET开关管S1、MOSFET开关管S3、二极管D2和二极管D1给电感L3充电；经MOSFET开关管S1、MOSFET开关管S3、二极管D2、二极管D3、二极管D1给电容C3充电；经MOSFET开关管S1、MOSFET开关管S4、二极管D5和二极管D1给电感L4充电；经MOSFET开关管S1、MOSFET开关管S4、二极管D4和二极管D1给电感L5充电；经MOSFET开关管S1、MOSFET开关管S4、二极管D4、二极管D5、二极管D1给电容C4充电；输出负载Ro由输出电容Co供电。当4个MOSFET开关管S1、S2、S3、S4处于图2所示的Toff时间段内时，电感L1、L2、L3、L4、L5和电容C1、C2、C3、C4经二极管D6给输出电容Co和输出负载Ro供电。

经理论推导，本发明提出的带开关电感的高升压直流变换器在占空比为D＝0.5时，输出直流电压Vo为输入直流电压Vi的9倍，满足了工业应用中高增益的要求。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种带开关电感电容的高升压直流变换器，其特征在于：包括输入直流电压Vi、第一开关电感电容模块、第二开关电感电容模块、第三开关电感电容模块、3个MOSFET开关管、二极管D6、输出电容Co和输出负载Ro；

所述输入直流电压Vi的正极与MOSFET开关管S1的一端相连接，该MOSFET开关管S1的另一端分别与第一开关电感电容模块、第二开关电感电容模块和MOSFET开关管S4的一端相连接；所述第一开关电感电容模块分别与输入直流电压Vi的负极、MOSFET开关管S3的一端和第三开关电感电容模块相连接；所述第二开关电感电容模块分别与所述MOSFET开关管S4的一端、MOSFET开关管S3的另一端和二极管D6的阳极相连接；该二极管D6的阴极分别与输出电容Co的正极和输出负载Ro的正极相连接；所述第三开关电感电容模块分别与MOSFET开关管S4的另一端、输出电容Co的负极和输出负载Ro的负极相连接；

所述第一开关电感电容模块由电容C1、电容C2、电感L1、MOSFET开关管S2和二极管D1组成；所述电容C1的一端分别与所述MOSFET开关管S1的另一端、第二开关电感电容模块、MOSFET开关管S4的一端和MOSFET开关管S2的一端相连接；该电容C1的另一端分别与所述输入直流电压Vi的负极、电感L1的一端和二极管D1的阴极相连接；所述电感L1的另一端分别与MOSFET开关管S2的另一端和电容C2的一端相连接；所述二极管D1的阳极和电容C2的另一端共同与所述MOSFET开关管S3的一端和所述第三开关电感电容模块相连接；

所述第二开关电感电容模块由电感L2、电感L3、电容C3、二极管D2和二极管D3组成；所述电感L2的一端分别与所述MOSFET开关管S1的另一端、所述第一开关电感电容模块、所述二极管D2的阳极和所述MOSFET开关管S4的一端相连接；所述电感L2的另一端分别与电容C3的一端和二极管D3的阳极相连接；该电容C3的另一端分别与二极管D2的阴极和电感L3的一端相连接；所述电感L3的另一端和二极管D3的阴极共同与所述MOSFET开关管S3的另一端和二极管D6的阳极相连接；

所述第三开关电感电容模块由电感L4、电感L5、电容C4、二极管D4、和二极管D5组成；所述电感L4的一端分别与所述MOSFET开关管S4的另一端、二极管D4的阳极、输出电容Co的负极和输出负载R的负极相连接；该电感L4的另一端分别与所述电容C4的一端和二极管D5的阳极相连接；该电容C4的另一端分别与二极管D4的阴极和电感L5的一端相连接；所述电感L5的另一端和二极管D5的阴极共同与MOSFET开关管S3的一端、所述电容C2的另一端和所述二极管D1的阳极相连接。