CN107453605A - 一种基于抽头电感的升压直流变换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于抽头电感的升压直流变换装置，包括电路单元和开关管；电路单元包括第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管和电感，第一二极管和第二二极管依次串联，且并联在第一电容的两端，第一电容一端作为输入端正极，另一端作为输出端；电感一端与第一电容作为输入端正极的一端连接，另一端与第二电容一端连接，抽头端与第三二极管正极连接，第二电容另一端与第一二极管和第二二极管之间连接点连接，第三二极管负极与开关管的漏极连接；开关管的源极作为输入端负极，栅极用于输入控制开关管开通或者关断的控制信号。本发明基于抽头电感的升压直流变换装置，能够达到较高升压比，并且电路结构简单、灵活，体积小。

Description

一种基于抽头电感的升压直流变换装置

技术领域

本发明涉及直流功率变换器技术领域，特别是涉及一种基于抽头电感的升压直流变换装置。

背景技术

随着光伏发电、燃料电池等分布式发电系统的发展和普及，升压直流变换器(即DC-DC变换器)越来越受到重视。

现有技术中，普遍使用的升压直流变换器Boost变换器，理论上，当Boost变换器的占空比足够大时可以达到很高的电压增益，但在实际应用中由于器件的电压电流压力和损耗的限制，Boost变换器的占空比通常不会大于0.8。除此之外，为获得高电压增益，可以利用级联型Boost变换器来实现提高升压比，但级联型Boost变换器属高阶变换器，它的动态模型和控制策略尚不成熟。再有，就是利用具有高匝数比的变压器或耦合电感来实现，但高匝数比变压器和耦合电感的设计较难且损耗很大。

有鉴于此，提供一种电路结构简单、灵活、体积小的升压直流变换器，并能够达到较高升压比，是当前本领域技术人员需要考虑和解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于抽头电感的升压直流变换装置，能够达到较高升压比，并且电路结构简单、灵活，体积小。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于抽头电感的升压直流变换装置，包括电路单元和开关管；

所述电路单元包括第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管和电感，所述第一二极管和所述第二二极管依次串联，且并联在所述第一电容的两端，所述第一电容一端作为输入端正极，另一端作为输出端；

所述电感一端与所述第一电容作为输入端正极的一端连接，另一端与所述第二电容一端连接，抽头端与所述第三二极管正极连接，所述第二电容另一端与所述第一二极管和所述第二二极管之间连接点连接，所述第三二极管负极与所述开关管的漏极连接；

所述开关管的源极作为输入端负极，栅极用于输入控制所述开关管开通或者关断的控制信号。

可选地，包括第一组至第N组所述电路单元，第一组至第N组所述电路单元的第一电容依次串联，第一组电路单元的第一电容与输入电源正极连接，每一组所述电路单元的第三二极管负极与所述开关管的漏极连接，作为输入端负极的所述开关管的源极与输入电源负极连接，N为大于零的正整数。

可选地，还包括M个负载，M为大于零的正整数且M∈[1，N]，每一负载的一端与任意一个所述电路单元的输出端连接，另一端与输入电源负极连接。

可选地，向所述开关管的栅极输入控制所述开关管高频切换开通和关断的控制信号，所述电路单元的电感工作在电流连续模式。

可选地，向所述开关管的栅极输入控制所述开关管关断的控制信号，所述电路单元的电感工作在电流断续模式。

可选地，还包括与所述开关管的栅极连接的、用于向所述开关管的栅极输入脉宽调制波的控制器。

可选地，所述开关管包括N沟道场效应晶体管、P沟道场效应晶体管或者绝缘栅双极型晶体管。

由上述技术方案可知，本发明所提供的升压直流变换装置，当开关管开通时，第二二极管截止，输入电源输入的电压通过开关管、第三二极管施加在电感的第一端与抽头端之间的线圈上，同时电感第二端与抽头端之间的线圈产生感应电动势，通过第三二极管、开关管以及输入电源、第一二极管向第二电容充电；当开关管关断时，第一二极管和第三二极管截止，电感的整个线圈与第二电容串联，向第一电容放电。控制开关管高频切换开通状态和关断状态，使电感工作在连续电流状态下，所述升压变换装置将输入电源输入的电压经过电压变换输出给负载。本发明基于抽头电感的升压直流变换装置，能够达到较高升压比，并且电路结构简单、灵活，体积小。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于抽头电感的升压直流变换装置的电路示意图；

图2为图1所示升压直流变换装置开关管导通时的工作模态图；

图3为图1所示升压直流变换装置开关管关断时的工作模态图；

图4为本发明又一实施例提供的一种基于抽头电感的升压直流变换装置的电路示意图；

图5为本发明又一实施例提供的一种基于抽头电感的升压直流变换装置的电路示意图；

图6为图1所示升压直流变换装置开关管关断时电感电流为零时的工作模态图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，都应当属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种基于抽头电感的升压直流变换装置的电路结构图。由图可知，本实施例升压直流变换装置包括电路单元10和开关管11。

其中，所述电路单元10包括第一电容C₁、第二电容C₂、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃和电感L。所述第一二极管D₁和所述第二二极管D₂依次串联，且并联在所述第一电容C₁的两端，所述第一电容C₁一端作为输入端正极，另一端作为输出端；

所述电感L一端与所述第一电容C₁作为输入端正极的一端连接，另一端与所述第二电容C₂一端连接，抽头端与所述第三二极管D₃正极连接，所述第二电容C₂另一端与所述第一二极管D₁和所述第二二极管D₂之间连接点连接，所述第三二极管D₃负极与所述开关管11的漏极连接。

所述开关管11的源极作为输入端负极，栅极用于输入控制所述开关管开通或者关断的控制信号。

本实施例中，电感L包括两个连接端和一个抽头端，电感L第一端与抽头端之间的线圈表示为线圈n1，第二端与抽头端之间的线圈表示为线圈n2。

第一二极管D₁与第二二极管D₂依次串联，第一二极管D₁正极与第一电容C₁作为输入端正极的一端连接，第一二极管D₁负极与第二二极管D₂正极连接，第二二极管D₂负极与第一电容C₁另一端连接。第一电容C₁一端作为输入端正极，开关管11的源极作为输入端负极，可以连接输入电源；第一电容C₁另一端作为输出端，可连接负载R。

本实施例升压直流变换装置，通过控制开关管11交替切换开通状态和关断状态，实现将输入电源输入的电压经过升压变换，输出给负载。

下面对本实施例基于抽头电感的升压直流变换装置的工作原理具体说明。

请参考图2，当向开关管S栅极输入高电压时，开关管S开通。此时第二二极管D₂截止，输入电源的输入电压，通过开关管S和第三二极管D₃直接施加在电感L第一端与抽头端之间的线圈n1上；同时，电感L抽头端与第二端之间的线圈n2上产生的感应电动势，通过第三二极管D₃、开关管S以及输入电源、第一二极管D₁向第二电容C₂充电。

于是，电感L第一端与抽头端之间的线圈n1上电压和第二电容C₂的电压分别表示为：

V_n1(S_ON)＝V_in； (1-1)

V_C2(S_ON)＝(n+1)×V_in； (1-2)

其中，V_in表示输入电压，n＝n₂/n₁表示电感L两段线圈的匝数比。

请参考图3，当向开关管S栅极输入低电压时，开关管S关断，第一二极管D₁和第三二极管D₃截止，此时电感L的整个线圈n1+n2与第二电容C₂串联，向第一电容C₁放电。于是，电感L的电压和电感L第一端与抽头端之间的线圈n1上的电压分别表示为：

V_L(S_OFF)＝V_C1-V_C2 (1-3)

V_n1(S_OFF)＝(V_C1-V_C2)/(n+1)。 (1-4)

其中，V_C1表示第一电容C₁的电压，V_C2表示第二电容C₂的电压。

当电感L工作在连续电流状态时，其工作模式由上述两种状态高频切换，稳定状态下电感L必须满足伏秒平衡，电感L第一端与抽头端之间的线圈n1也必须满足伏秒平衡，即满足：

d×V_n1(S_ON)＝(1-d)×V_n1(S_OFF)； (1-5)

其中，d表示一个开关周期内开关管S的导通占空比，即开关管S开通的时间与开关管S关断的时间之比。

根据公式(1-1)、(1-2)和(1-3)可以计算出第一电容C₁的电压，表示为：

V_C1＝[(n+1)/(1-d)]×V_in。 (1-6)

那么本实施例升压直流变换装置在连续电流模式下，输出电压是输入电压和第一电容C₁的电压之和，因此理想的电压增益表示为：

V_O/V_in＝1+(n+1)/(1-d)。

可见本实施例升压直流变换装置，通过向开关管S栅极输入控制信号，控制开关管交替切换开通状态和关断状态，将输入电经过升压变换输出给负载，实现升压功能，当本升压直流变换装置中向开关管的栅极输入控制开关管高频切换开通和关断的控制信号，使电感工作在连续电流模式下，能够向负载输出稳定的电压。与现有技术相比，本实施例升压直流变换装置能够达到较高升压比，并且电路结构简单、灵活，体积小。

在本发明又一实施例提供的一种基于抽头电感的升压直流变换装置中，其电路结构中可包含多组电路单元。请参考图4和图5，本发明又一实施例提供的一种基于抽头电感的升压直流变换装置，包括第一组至第N组电路单元20和开关管21，N为大于零的正整数。

其中，每一所述电路单元20包括第一电容C₁、第二电容C₂、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃和电感L。所述第一二极管D₁和所述第二二极管D₂依次串联，且并联在所述第一电容C₁的两端，所述第一电容C₁一端作为本电路单元的输入端正极，另一端作为输出端；

所述电感L一端与所述第一电容C₁作为输入端正极的一端连接，另一端与所述第二电容C₂一端连接，抽头端与所述第三二极管D₃正极连接，所述第二电容C₂另一端与所述第一二极管D₁和所述第二二极管D₂之间连接点连接，所述第三二极管D₃负极与所述开关管21的漏极连接；

相应的，第i组电路单元包括第一电容C_i1、第二电容C_i2、第一二极管D_i1、第二二极管D_i2、第三二极管D_i3和电感L_i，各电路元件如以上所述的方式连接，其中i为大于零的正整数，i∈[1，N]。

第一组至第N组电路单元20的第一电容依次串联，第一组电路单元的第一电容C₁₁与输入电源正极连接，每一组所述电路单元20的第三二极管负极与所述开关管21的漏极连接，可参考图4和图5所示。

所述开关管21的源极作为输入端负极，用于与输入电源负极连接，栅极用于输入控制所述开关管21开通或者关断的控制信号。

本实施例升压直流变换装置，每一组电路单元20的输出端可独立连接负载，向负载输出电压，可参考图4所示。

本实施例升压直流变换装置的工作原理为：

当向开关管S栅极输入高电压时，开关管S开通。此时对于第i组电路单元，第二二极管D_i2截止，输入电源和第一电容C₁₁至第一电容C_(i-1)1串联后的总电压，通过开关管S和第三二极管D_i3直接施加在电感L_i第一端与抽头端之间的线圈ni1上；同时，电感L_i抽头端与第二端之间的线圈ni2上产生的感应电动势，通过第三二极管D_i3、开关管S，以及输入电源与第一电容C₁₁至第一电容C_(i-1)1形成的串联电路，再通过二极管D_i1，向第二电容C_i2充电。

于是，电感L_i第一端与抽头端之间的线圈ni1上电压和第二电容C_i2的电压分别表示为：

V_ni1(S_ON)＝V_in+V_C11+…+V_C(i-1)1； (2-1)

V_Ci2(S_ON)＝(n+1)×[V_in+V_C11+…+V_C(i-1)1]； (2-2)

其中，V_in表示输入电压，V_Ci1表示第i组电路单元的第一电容C_i1的电压，n_i＝n_i2/n_i1表示电感L_i两段线圈的匝数比。

当向开关管S栅极输入低电压时，开关管S关断，对于第i组电路单元中，第一二极管D_i1和第三二极管D_i3截止，此时电感L_i的整个线圈ni1+ni2与第二电容C_i2串联，向第一电容C_i1放电。于是，电感L_i的电压和电感L_i第一端与抽头端之间的线圈ni1上的电压分别表示为：

V_Li1(S_OFF)＝V_Ci1-V_Ci2 (2-3)

V_ni1(S_OFF)＝(V_Ci1-V_Ci2)/(n+1)。 (2-4)

其中，V_Ci2表示第i组电路单元的第二电容C_i2的电压。

当电感L工作在连续电流状态时，其工作模式由上述两种状态高频切换，稳定状态下电感L_i必须满足伏秒平衡，电感L_i第一端与抽头端之间的线圈ni1也必须满足伏秒平衡，即满足：

d×V_ni1(S_ON)＝(1-d)×V_ni1(S_OFF)； (2-5)

其中，d表示开关管S的导通占空比，即开关管S开通的时间与开关管S关断的时间之比。

根据公式(2-1)、(2-2)和(2-3)可以计算出第一电容C_i1的电压，表示为：

V_Ci1＝[(n+1)/(1-d)]×[V_in+V_C11+…+V_C(i-1)1] (2-6)

那么，对于从第一组电路单元20的输出端输出电压时，i取值1，第一电容C₁₁的电压描述为：

V_C11＝[(n+1)/(1-d)]×V_in。

对于从第二组电路单元20的输出端输出电压时，i取值2，第一电容C₂₁的电压描述为：

对于从第三组电路单元20的输出端输出电压时，i取值3，第一电容C₃₁的电压描述为：

对于从第四组电路单元20的输出端输出电压时，i取值4，第一电容C₄₁的电压描述为：

对于从第i组电路单元20的输出端输出电压时，i＞1，第一电容C_i1的电压描述为：

V_Ci1＝[(n+1)/(1-d)+(i-1)(n+1)²/(1-d)²+(i-2)(n+1)³/(1-d)³+…+(i+1-_j)(n+1)^j/(1-d)^j+…。+(n+1)ⁱ/(1-d)ⁱ]×V_in

其中，j为大于零的正整数，j∈[1，i]。

对于从第i组电路单元20的输出端输出电压时，输出电压V_O为输入电压V_in与前i组电路单元的第一电容C₁₁至第一电容C_i1的电压之和，因此本实施例升压直流变换装置在电流连续模式下的理想电压增益描述为：

在实际应用中，本实施例升压直流变换装置可连接M个负载，每一负载的一端与任意一个电路单元20的输出端连接，另一端与输入电源负极连接，其中M为大于零的正整数且M∈[1，N]。其中，当M＜N时即从升压直流变换装置的N个输出端中任意选择M个输出端分别连接各个负载，具体可根据输出端产生的电压增益以及应用需求来选择输出端。

在以上各实施例描述的基于抽头电感的升压直流变换装置中，向所述开关管S的栅极输入控制开关管高频切换开通和关断的控制信号，来控制开关管S高频切换开通状态和关断状态，可以使电路单元的电感工作在连续电流状态下，实现升压直流变换功能。在本发明的另一具体实施方式中，可向所述开关管S的栅极输入控制所述开关管S关断的控制信号，这时电路单元的电感工作在电流断续状态下，可参考图6所示，电路单元的电感工作在电流断续状态下，这种状态下升压直流变换装置的输出电压是输入电压与各组电路单元的第一电容的电压之和，本升压直流变换装置也能够实现升压直流变换功能。

在以上各实施例描述的基于抽头电感的升压直流变换装置中，还包括与所述开关管S的栅极连接的、用于向所述开关管S的栅极输入脉宽调制波的控制器，通过向开关管S栅极输入脉宽调制波，来控制开关管S开通或者关断。可参考图1、图4和图5所示，PWM控制器即表示向开关管S的栅极输入脉宽调制波的控制器。

在以上各实施例描述的升压直流变换装置中，所述开关管S可以是N沟道场效应晶体管、P沟道场效应晶体管或者绝缘栅双极型晶体管。

以上对本发明所提供的一种基于抽头电感的升压直流变换装置进行了详细介绍。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。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于抽头电感的升压直流变换装置，其特征在于，包括电路单元和开关管；

所述电路单元包括第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管和电感，所述第一二极管和所述第二二极管依次串联，且并联在所述第一电容的两端，所述第一电容一端作为输入端正极，另一端作为输出端；

所述电感一端与所述第一电容作为输入端正极的一端连接，另一端与所述第二电容一端连接，抽头端与所述第三二极管正极连接，所述第二电容另一端与所述第一二极管和所述第二二极管之间连接点连接，所述第三二极管负极与所述开关管的漏极连接；

所述开关管的源极作为输入端负极，栅极用于输入控制所述开关管开通或者关断的控制信号。

2.根据权利要求1所述的基于抽头电感的升压直流变换装置，其特征在于，包括第一组至第N组所述电路单元，第一组至第N组所述电路单元的第一电容依次串联，第一组电路单元的第一电容与输入电源正极连接，每一组所述电路单元的第三二极管负极与所述开关管的漏极连接，作为输入端负极的所述开关管的源极与输入电源负极连接，N为大于零的正整数。

3.根据权利要求2所述的基于抽头电感的升压直流变换装置，其特征在于，还包括M个负载，M为大于零的正整数且M∈[1，N]，每一负载的一端与任意一个所述电路单元的输出端连接，另一端与输入电源负极连接。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于抽头电感的升压直流变换装置，其特征在于，向所述开关管的栅极输入控制所述开关管高频切换开通和关断的控制信号，所述电路单元的电感工作在电流连续模式。

5.根据权利要求1-3任一项所述的基于抽头电感的升压直流变换装置，其特征在于，向所述开关管的栅极输入控制所述开关管关断的控制信号，所述电路单元的电感工作在电流断续模式。

6.根据权利要求1-3任一项所述的基于抽头电感的升压直流变换装置，其特征在于，还包括与所述开关管的栅极连接的、用于向所述开关管的栅极输入脉宽调制波的控制器。

7.根据权利要求1-3任一项所述的基于抽头电感的升压直流变换装置，其特征在于，所述开关管包括N沟道场效应晶体管、P沟道场效应晶体管或者绝缘栅双极型晶体管。