CN106787736A - 一种双开关高升压比pwm直流变换器 - Google Patents

一种双开关高升压比pwm直流变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双开关高升压比PWM直流变换器，包括Buck‑Boost单元，开关电容单元和负载，Buck‑Boost单元包括电感、主电容和两个互补导通的开关管，开关电容单元包括电容和二极管，可见本发明将两个互补导通的开关作为开关，通过增加或减少开关电容单元来调整增益，可以将多个结构简单的开关电容单元进行组合，从而获得需要的增益值，比现有的功率变换器更加灵活。

Description

一种双开关高升压比PWM直流变换器
技术领域
本发明涉及直流功率变换器技术领域，特别涉及一种双开关高升压比PWM直流变换器。
背景技术
随着分布式发电和分布式储能的发展和普及，高升压比DC-DC功率变换器越来越受到重视。实现高升压比变换器的最简单方案是利用具有高匝数比的变压器或耦合电感来实现，但是如何设计高性能的高匝数比变压器和耦合电感给这一解决方案带来了难题。虽然可以利用级联型DC-DC变换器来实现升压比，但基本的级联型Boost或Buck-Boost，即变换器升降压式变换电路，具有结构复杂和控制较难的问题。理论上，当Boost或Buck-Boost变换器的占空比足够大时可以达到很高的电压增益。但实际应用中由于效率可开关管压力的限制，变换器的占空比通常不会大于0.8，因此这一设想也是不现实的。此外，可以利用开关电容网络来实现高升压比，但开关电容变换器在电压调制方面存在天然的缺陷。
综上所述，如何设计出一款简单灵活的高增益升压变换器是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种双开关高升压比PWM直流变换器，具有简单灵活的技术效果。其具体方案如下：
一种双开关高升压比PWM直流变换器，包括Buck-Boost单元，第一开关电容单元和负载，所述Buck-Boost单元包括直流电压源、电感器、主电容器、第一开关管和第二开关管，其中，所述主电容器具有正极和负极，所述电感器的一端同时与所述直流电压源的正极和所述主电容器的负极连接，另一端同时与所述第一开关管的漏极和所述第二开关管的源极连接，所述第一开关管的源极与所述直流电压源的负极连接，所述第二开关管的漏极与所述主电容器的正极连接。
优选的，所述第一开关电容单元包括第一电容器、第二电容器、第一二极管和第二二极管，其中，所述第一电容器和所述第二电容器均包括正极和负极，所述第二电容器的正极同时与所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阳极连接，所述第一二极管的阳极与所述第一电容器的负极连接，所述第二二极管的阴极与所述第一电容器的正极连接；
所述负载的一端与所述直流电压源的负极连接，另一端与所述第一电容器的正极连接。
优选的，所述第一开关电容单元的数量为n，其中，n为正整数。
优选的，所述第一开关电容单元的连接方式包括：
第i个所述第一开关电容单元中的第一电容器的正极与第i+1个所述第一开关电容单元的第一电容器的负极连接，第i个所述第一开关电容单元中的第二电容器的负极同时与所述Buck-Boost单元的所述第一开关管的漏极和所述第二开关管的源极连接，
其中，i为小于或等于n-1的正整数，第一个所述第一开关电容单元中的第一电容器的负极与所述Buck-Boost单元中的主电容器的正极连接。
优选的，所述第一开关管和所述第二开关管互补导通。
优选的，所述双开关高升压比PWM直流变换器还包括第一谐振电感，
其中，所述第一谐振电感器的一端同时与所述第一开关管的漏极和所述第二开关管的源极连接，所述第一谐振电感器的另一端同时与所述第二电容器的负极连接。
优选的，所述双开关高升压比PWM直流变换器还包括第二谐振电感器；
其中，所述第二谐振电感器的一端与所述第二电容器的负极连接，所述第二谐振电感器的另一端同时与所述第一开关管的漏极和所述第二开关管的源极连接。
优选的，所述双开关高升压比PWM直流变换器还包括第二开关电容单元，
其中，所述第二开关电容单元包括：第三电容器、第四电容器、第三二极管和第四二极管，其中所述第三电容器和所述第四电容器均包括正极和负极，所述第四电容器的负极同时与所述第三二极管的阴极和所述第四二极管的阳极连接，另一端与同时与所述第一开关管的漏极和所述第二开关管的源极连接，所述第三二极管的阳极与所述第三电容器的负极连接，所述第四二极管的阴极与所述第三电容器的正极连接；
所述负载的一端与所述第三电容器的负极连接，另一端与所述主电容器的正极连接。
优选的，所述第二开关电容单元数量为m，所述第二开关电容单元的连接方式包括：
第j个所述第二开关电容单元中的第三电容器的负极与第j+1个第二开关电容单元的第三电容器的正极连接，其中，j为小于或等于m-1的正整数，m为小于或等于n的正整数，第一个所述第二开关电容单元中的第三电容器的正极与所述Buck-Boost单元中直流电压源的负极连接。
本发明公开了一种双开关高升压比PWM直流变换器，包括Buck-Boost单元，开关电容单元和负载，Buck-Boost单元包括电感、主电容和两个互补导通的开关管，开关电容单元包括电容和二极管，可见本发明将两个互补导通的开关作为开关，通过增加或减少开关电容单元来调整增益，可以将多个结构简单的开关电容单元进行组合，从而获得需要的增益值，比现有的功率变换器更加灵活。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的一种双开关高升压比PWM直流变换器的结构示意图；
图2为本发明实施例公开的一种具体的双开关高升压比PWM直流变换器的结构示意图；
图3为本发明实施例公开的一种具体的双开关高升压比PWM直流变换器的关键电压电流波形图；
图4a和图4b为本发明实施例公开的一种具体的双开关高升压比PWM直流变换器的工作模态；
图5a和图5b为本发明实施例公开的一种具体包含谐振电感器的双开关高升压比PWM直流变换器的结构；
图6为本发明实施例公开的一种具体包含第二开关电容单元的双开关高升压比PWM直流变换器结构示意图；
图7为本发明实施例公开的另一种具体包含第二开关电容单元的双开关高升压比PWM直流变换器结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种双开关高升压比PWM直流变换器，参见图1所示，包括Buck-Boost单元11，第一开关电容单元12和负载13。
上述Buck-Boost单元包括直流电压源、电感器、主电容器、第一开关管和第二开关管，其中，上述主电容器具有正极和负极，上述电感器的一端同时与上述直流电压源的正极和上述主电容器的负极连接，另一端同时与上述第一开关管的漏极和上述第二开关管的源极连接，上述第一开关管的源极与上述直流电压源的负极连接，上述第二开关管的漏极与上述主电容器的正极连接，第一开关管和上述第二开关管互补导通。
上述第一开关电容单元包括第一电容器、第二电容器、第一二极管和第二二极管，其中，上述第一电容器和上述第二电容器均包括正极和负极，上述第二电容器的正极同时与上述第一二极管的阴极和上述第二二极管的阳极连接，上述第一二极管的阳极与上述第一电容器的负极连接，上述第二二极管的阴极与上述第一电容器的正极连接；
上述负载的一端与上述直流电压源的负极连接，另一端与上述第一电容器的正极连接。
需要说明的是，上述第一开关电容单元数量可以不唯一，即第一开关电容单元数量可以包括大于或等于1的正整数。不同数量的第一开关电容单元为本发明带来不同的增益。
当第一开关电容单元的数量为n时，n为正整数，第一开关电容单元的连接方式包括：第i个上述第一开关电容单元中的第一电容器的正极与第i+1个上述第一开关电容单元的第一电容器的负极连接，第i个上述第一开关电容单元中的第二电容器的负极同时与上述Buck-Boost单元的上述第一开关管的漏极和上述第二开关管的源极连接，其中，i为小于或等于n-1的正整数，第一个上述第一开关电容单元中的第一电容器的负极与上述Buck-Boost单元中的主电容器的正极连接。
具体的实施例一参见图2所示，Buck-Boost单元包括一个直流电压电源Vin、一个电感器L、一个电容器C0、第一开关管S1和第二开关管S2；电容器C0具有正极和负极；电感器L的一端同时与直流电压源Vin的正极和电容器C0的负极连接，另一端同时与第一开关管S1的漏极和第二开关管S2的源极连接；第一开关管S1的源极与直流电压源Vin的负极连接；第二开关管S2的漏极与电容器C0的正极连接。
其中，n个第一开关电容单元中第k个第一开关电容单元包括：第一电容器Ck1、第二电容器Ck2、第一二极管Dk1和第二二极管Dk2；第一电容器Ck1和第二电容器Ck2均包括正极和负极；第二电容器Ck2的正极同时与第一二极管Dk1的阴极和第二二极管Dk2的阳极连接，负极同时与Buck-Boost单元的第一开关管S1的漏极和第二开关管S2的源极连接；第一二极管Dk1的阳极与第一电容器Ck1的负极连接；第二二极管Dk2的阴极与第一电容器Ck1的正极连接；所述n个第一开关电容单元中第1个第一开关电容单元中的第一电容器C11的负极与所述Buck-Boost单元中电容器C0的正极连接；所述n个第一开关电容单元中第k个第一开关电容单元中的第一电容器Ck1的正极与第k+1个第一开关电容单元的第一电容器C(k+1)1的负极连接；其中，n为大于1的整数，k为大于等于1小于等于n的整数；
负载R的一端与所述直流电压源Vin的负极连接，另一端与所述n个第一开关电容单元中第n个第一开关电容单元的第一电容器Cn1的正极连接。
参见图3所示，在本实施例一中，第一开关管S1和第二开关管S2互补导通，可见，在t0～t1阶段，第一开关管S1开通而第二开关管S2关断，电感器L被直流电压源Vin充电，其电流线性上升；所述n个第一开关电容单元的第i个第一开关电容单元中第一二极管Di1导通而第二二极管Di2截止；所述Buck-Boost单元中直流电压源Vin、电容器C0，以及所述n个第一开关电容单元的第1个第一开关电容单元的第一电容器C11至第i-1个第一开关电容单元的第一电容器C(i-1)1通过第i个第一开关电容单元中第一二极管Di1给第二电容器Ci2充电；其中，i为大于1小于等于n的整数；工作模态如图4a所示。
t1～t2阶段，第一开关管S1关断而第二开关管S2开通，电感器L向电容器C0放电，其电流线下降；所述n个第一开关电容单元的第i个第一开关电容单元中第一二极管Di1截止而第二二极管Di2导通；以及所述n个第一开关电容单元中第i个第一开关电容单元的第二电容器Ci2通过第二二极管Di2向第1个第一开关电容单元的第一电容器C11至第i个第一开关电容单元的第一电容器Ci1放电；工作模态如图4b所示。
随着如图4a和图4b所示的两种工作状态的高频交替操作，能量从直流电压源Vin经过Buck-Boost单元和所有开关电容单体传输给负载R，输出电压为Buck-Boost单元中直流电压源Vin、电容器C0的电压，以及所述n个第一开关电容单元中所有第一开关电容单元的第一电容器的电压之和，理想电压增益为(n+1)/(1-d)，其中，d为第一开关管的导通占空比
可以对双开关高升压比PWM直流变换器进行改进，在具体实施中还可包括第一谐振电感器，其中，上述第一谐振电感器的一端同时与上述第一开关管的漏极和上述第二开关管的源极连接，上述第一谐振电感器的另一端同时与上述第二电容器的负极连接。
具体的实施例二参见图5a所示，变换器除了上述实施例一公开的内容外，还包括了n个第一谐振电感器，其中，所述第一谐振电感器(Lr)的一端同时与所述Buck-Boost单元的第一开关管(S1)的漏极和第二开关管(S2)的源极连接；所述第一谐振电感器(Lr)的另一端同时与所述n个开关电容单元中所有开关电容单元的第二电容器的负极连接。
可以对双开关高升压比PWM直流变换器进行改进，在具体实施中还可包括第二谐振电感器；其中，上述第二谐振电感器的一端与上述第二电容器的负极连接，上述第二谐振电感器的另一端同时与上述第一开关管的漏极和上述第二开关管的源极连接。
具体的实施例三参见图5b所示，变换器除了上述实施例一公开的内容外，还包括了n个第二谐振电感器，其中，所述n个第二谐振电感器中第k个电感器(Lrk)的一端与所述n个开关电容单元中第k个开关电容单元的第二电容器(Ck2)的负极连接；所述n个第二谐振电感器中第k个电感器(Lrk)的另一端同时与所述Buck-Boost单元的第一开关管(S1)的漏极和第二开关管(S2)的源极连接。
可以对双开关高升压比PWM直流变换器进行改进，在具体实施中还可包括第二开关电容单元，其中，上述第二开关电容单元包括：第三电容器、第四电容器、第三二极管和第四二极管，其中上述第三电容器和上述第四电容器均包括正极和负极，上述第四电容器的负极同时与上述第三二极管的阴极和上述第四二极管的阳极连接，另一端与同时与上述第一开关管的漏极和上述第二开关管的源极连接，上述第三二极管的阳极与上述第三电容器的负极连接，上述第四二极管的阴极与上述第三电容器的正极连接；上述负载的一端与上述第三电容器的负极连接，另一端与上述主电容器的正极连接。
第二开关电容单元的数量可以不唯一，即当第二开关电容单元数量为m，上述第二开关电容单元的连接方式包括：第j个上述第二开关电容单元中的第三电容器的负极与第j+1个第二开关电容单元的第三电容器的正极连接，其中，j为小于或等于m-1的正整数，m为小于或等于n的正整数，第一个上述第二开关电容单元中的第三电容器的正极与上述Buck-Boost单元中直流电压源的负极连接。
具体的实施例四参见图6所示，变换器除了上述实施例一公开的内容外，还包括m个第二开关电容单元，其中，所述m个第二开关电容单元中，第j个第二开关电容单元包括：第三电容器(CAj1)、第四电容器(CAj2)、第三二极管(DAj1)和第四二极管(DAj2)；所述m个第四开关电容单元中第j个第四开关电容单元的第三电容器(CAj1)和第四电容器(CAj2)均包括正极和负极；所述m个第四开关电容单元的第j个第四开关电容单元中第四电容器(CAj2)的负极同时与第三二极管(DAj1)的阴极和第四二极管(DAj2)的阳极连接，另一端与同时与所述Buck-Boost单元的第一开关管(S1)的漏极和第二开关管(S2)的源极连接；所述m个第二开关电容单元的第j个第二开关电容单元中第三二极管(DAj1)的阳极与第三电容器(CAj1)的负极连接；所述m个第二开关电容单元的第j个第二开关电容单元中第四二极管(DAj2)的阴极与第三电容器(CAj1)的正极连接；所述m个第二开关电容单元中第1个第二开关电容单元中的第一电容器(CA11)的正极与所述Buck-Boost单元中直流电压源(Vin)的负极连接；所述m个第二开关电容单元中第j个第二开关电容单元中的第三电容器(CAj1)的负极与第j+1个第二开关电容单元的第一电容器(CA(j+1)1)的正极连接；其中，m为大于1的整数，j为大于等于1小于等于n的整数。
其中，负载(R)的一端与第m个第二开关电容单元的第三电容器(CAm1)的负极连接，负载的另一端与所述n个第一开关电容单元中第n个第一开关电容单元的第一电容器(Cn1)的正极连接；变换器输出电压为Buck-Boost单元中直流电压源(Vin)、电容器(C0)的电压，以及所述n+m个第二开关电容单元中所有第二开关电容单元的第一电容器电压之和，理想电压增益为(n+m+1)/(1-d)。
本发明还提供另一种具体的实施例四，如图7所示，变换器除了上述实施例一公开的内容外，还包括一个Buck-Boost单元和m个开关电容单元；其中，负载(R)的一端与所述m个开关电容单元中第m个开关电容单元的第一电容器(CAm1)的负极连接，负载的另一端与Buck-Boost单元中电容器(C0)的正极连接；变换器输出电压为Buck-Boost单元中直流电压源(Vin)、电容器(C0)的电压，以及所述m个开关电容单元中所有开关电容单元的第一电容器电压之和，电压增益为(m+1)/(1-d)。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种双开关高升压比PWM直流变换器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种双开关高升压比PWM直流变换器，其特征在于，包括Buck-Boost单元，第一开关电容单元和负载，所述Buck-Boost单元包括直流电压源、电感器、主电容器、第一开关管和第二开关管，其中，所述主电容器具有正极和负极，所述电感器的一端同时与所述直流电压源的正极和所述主电容器的负极连接，另一端同时与所述第一开关管的漏极和所述第二开关管的源极连接，所述第一开关管的源极与所述直流电压源的负极连接，所述第二开关管的漏极与所述主电容器的正极连接。
2.根据权利要求1所述的双开关高升压比PWM直流变换器，其特征在于，所述第一开关电容单元包括第一电容器、第二电容器、第一二极管和第二二极管，其中，所述第一电容器和所述第二电容器均包括正极和负极，所述第二电容器的正极同时与所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阳极连接，所述第一二极管的阳极与所述第一电容器的负极连接，所述第二二极管的阴极与所述第一电容器的正极连接；
所述负载的一端与所述直流电压源的负极连接，另一端与所述第一电容器的正极连接。
3.根据权利要求2所述的双开关高升压比PWM直流变换器，其特征在于，所述第一开关电容单元的数量为n，其中，n为正整数。
4.根据权利要求3所述的双开关高升压比PWM直流变换器，其特征在于，所述第一开关电容单元的连接方式包括：
第i个所述第一开关电容单元中的第一电容器的正极与第i+1个所述第一开关电容单元的第一电容器的负极连接，第i个所述第一开关电容单元中的第二电容器的负极同时与所述Buck-Boost单元的所述第一开关管的漏极和所述第二开关管的源极连接，
其中，i为小于或等于n-1的正整数，第一个所述第一开关电容单元中的第一电容器的负极与所述Buck-Boost单元中的主电容器的正极连接。
5.根据权利要求4所述的双开关高升压比PWM直流变换器，其特征在于，所述第一开关管和所述第二开关管互补导通。
6.根据权利要求5所述的双开关高升压比PWM直流变换器，其特征在于，还包括第一谐振电感器，
其中，所述第一谐振电感器的一端同时与所述第一开关管的漏极和所述第二开关管的源极连接，所述第一谐振电感器的另一端同时与所述第二电容器的负极连接。
7.根据权利要求5所述的双开关高升压比PWM直流变换器，其特征在于，还包括第二谐振电感器；
其中，所述第二谐振电感器的一端与所述第二电容器的负极连接，所述第二谐振电感器的另一端同时与所述第一开关管的漏极和所述第二开关管的源极连接。
8.根据权利要求5所述的双开关高升压比PWM直流变换器，其特征在于，还包括第二开关电容单元，
其中，所述第二开关电容单元包括：第三电容器、第四电容器、第三二极管和第四二极管，其中所述第三电容器和所述第四电容器均包括正极和负极，所述第四电容器的负极同时与所述第三二极管的阴极和所述第四二极管的阳极连接，另一端与同时与所述第一开关管的漏极和所述第二开关管的源极连接，所述第三二极管的阳极与所述第三电容器的负极连接，所述第四二极管的阴极与所述第三电容器的正极连接；
所述负载的一端与所述第三电容器的负极连接，另一端与所述主电容器的正极连接。
9.根据权利要求8所述的双开关高升压比PWM直流变换器，其特征在于，所述第二开关电容单元数量为m，所述第二开关电容单元的连接方式包括：
第j个所述第二开关电容单元中的第三电容器的负极与第j+1个第二开关电容单元的第三电容器的正极连接，其中，j为小于或等于m-1的正整数，m为小于或等于n的正整数，第一个所述第二开关电容单元中的第三电容器的正极与所述Buck-Boost单元中直流电压源的负极连接。
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