CN108092510A - 双自举级联型dcdc变换器 - Google Patents

双自举级联型dcdc变换器 Download PDF

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艾建
刘同民
陈泽华
贾伦
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    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
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Abstract

本发明公开了一种双自举级联型DCDC变换器，包括输入电源Vin，输入电源Vin的正极分别连接电感L1的一端和续流二极管D3的阳极，电感L1的另一端分别连接电容C2的一端和续流二极管D2的阳极，电容C2的另一端分别连接续流二极管D3的阴极和续流二极管D1的阳极，续流二极管D1的阴极分别连接电感L2的一端和电容C1的一端，电感L2的另一端分别连接续流二极管D2的阴极、开关管S的漏极和输出整流二极管Do的阳极，输出整流二极管Do的阴极分别连接输出电容Co的一端和负载电阻R的一端，输出电容Co的另一端、负载电阻R的另一端、开关管S的源极和电容C1的另一端分别连接输入电源Vin的负极。本发明有效提高了效率和增益比。

Description

双自举级联型DCDC变换器
技术领域
本发明涉及升压变换器，特别是涉及双自举级联型DCDC变换器。
背景技术
随着传统化石能源的日趋枯竭和人类生存环境的日益恶化，清洁型的可再生能源的发展已经到了迫在眉睫的地步，世界各国都在致力于研究和开发新能源的应用，其中太阳能和风能已经得到了较为广泛的应用。不过对于这些系统，如何并网运行、满足电网中的高电压需要仍然是最重要的问题。目前，大量的升压转换器被开发出来满足这些应用，在不同的转换器中，传统的BOOST变换器理论上可以通过提高占空比来提高电压增益。但是实际应用中，由于寄生参数的限制，无法实现非常高的电压增益。若采用级联型的拓扑结构，器件数量增加所带来的效率不高的问题又会凸显。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够提高效率和增益比的双自举级联型DCDC变换器。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的双自举级联型DCDC变换器，包括输入电源Vin，输入电源Vin的正极分别连接电感L1的一端和续流二极管D3的阳极，电感L1的另一端分别连接电容C2的一端和续流二极管D2的阳极，电容C2的另一端分别连接续流二极管D3的阴极和续流二极管D1的阳极，续流二极管D1的阴极分别连接电感L2的一端和电容C1的一端，电感L2的另一端分别连接续流二极管D2的阴极、开关管S的漏极和输出整流二极管Do的阳极，输出整流二极管Do的阴极分别连接输出电容Co的一端和负载电阻R的一端，输出电容Co的另一端、负载电阻R的另一端、开关管S的源极和电容C1的另一端分别连接输入电源Vin的负极。
进一步，还包括续流二极管D4，续流二极管D4的阳极连接电容C1的一端，续流二极管D4的阴极连接输出二极管Do的阳极。续流二极管D4与电感L2、升压电容C3构成自举升压单元，电容C1的能量通过续流二极管D4同时给电感L2和升压电容C3充电，提高了电路的升压能力。
进一步，还包括升压电容C3，升压电容C3的一端连接续流二极管D2的阴极，升压电容C3的另一端连接输出二极管Do的阳极。升压电容C3的能量通过续流二极管D4储存，根据自举原理，提高输出电压，提高电路的升压能力。
有益效果：本发明公开了一种双自举级联型DCDC变换器，与现有技术相比，具有以下的有益效果：
1)本发明采用了级联型升压电路，与传统的升压电路相比较，这种转换器的电压增益具有二次特性，具有优越的升压性能；
2)本发明在级联型升压变换器的基础上融合了双自举升压单元，在级联型升压电路的基础上有效地进一步地提高了电压增益。
3)本发明中，开关管和输出整流二极管的电应力得到很好地控制，提高了电路的工作效率，降低了成本；
4)本发明的变换器的结构没有增加额外的开关管，降低了对电路控制的复杂性，也降低了电路的损耗，提高了电路效率。
附图说明
图1为本发明第一种具体实施方式中升压变换器的电路图；
图2为本发明第二种具体实施方式中升压变换器的电路图；
图3为本发明第二种具体实施方式中升压变换器的等效电路图；
图4为本发明第二种具体实施方式中升压变换器的模态图；
图5为本发明第二种具体实施方式中升压变换器的第一种开关模态的等效图；
图6为本发明第二种具体实施方式中升压变换器的第二种开关模态的等效图；
图7为本发明第二种具体实施方式中升压变换器的第三种开关模态的等效图；
图8为本发明第二种具体实施方式中升压变换器的第三种开关模态的等效图；
图9为本发明第二种具体实施方式中升压变换器的开关管S两端的电压、输出电压V0和输出二极管Do两端的电压的波形图；
图10为本发明第二种具体实施方式中升压变换器的开关管S两端的电压、二极管D1两端的电压和二极管D2两端的电压的波形图；
图11为本发明第二种具体实施方式中升压变换器的开关管S两端的电压、电感L1两端的电压以及电感L1的电流的波形图；
图12为本发明第二种具体实施方式中升压变换器的开关管S两端的电压、电感L2两端的电压以及电感L2的电流的波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
第一种具体实施方式公开了一种双自举级联型DCDC变换器，如图1所示，包括输入电源Vin，输入电源Vin的正极分别连接电感L1的一端和续流二极管D3的阳极，电感L1的另一端分别连接电容C2的一端和续流二极管D2的阳极，电容C2的另一端分别连接续流二极管D3的阴极和续流二极管D1的阳极，续流二极管D1的阴极分别连接电感L2的一端和电容C1的一端，电感L2的另一端分别连接续流二极管D2的阴极、开关管S的漏极和输出整流二极管Do的阳极，输出整流二极管Do的阴极分别连接输出电容Co的一端和负载电阻R的一端，输出电容Co的另一端、负载电阻R的另一端、开关管S的源极和电容C1的另一端分别连接输入电源Vin的负极。
第二种具体实施方式在第一种具体实施方式的基础上增加了续流二极管D4和升压电容C3，如图2所示，续流二极管D4的阳极连接电容C1的一端，续流二极管D4的阴极连接输出二极管Do的阳极。升压电容C3的一端连接续流二极管D2的阴极，升压电容C3的另一端连接输出二极管Do的阳极。
其中，开关管S为MOSFET或者IGBT。
开关管S的等效电路为寄生电容CS，如图3所示。输入电源的电流为iin，输入电源的电压为Vin，电感L1电流为，电感L1两侧的电压为电感L2的电流为电感L2两侧的电压为，输出整流二极管Do的电流为输出整流二极管Do两端的电压为流过开关管S的电流为iS，流过开关管S两端的电压为VS，二极管D1的电流为二极管D1两端的电压为二极管D2的电流为二极管D2两端的电压为二极管D3的电流为二极管D3两端的电压为二极管D4的电流为二极管D4两端的电压为电容C1的电流为电容C1两端的电压为电容C2的电流为电容C2两端的电压为电容C3的电流为电容C3两端的电压为输出电容Co的电流为输出电容Co两端的电压为负载电阻R的电流为io。
图4为升压变换器的模态图。升压变换器的工作过程分为3个开关模态，分别为第一种开关模态至第三种开关模态，电阻R为负载，具体描述如下：
第一种开关模态，对应图4中的[t0,t1]：等效电路图5所示，在t0时刻开通开关管S，同时，二极管D2开通，电流的流通途径如图5所示，电感L1存储能量，两侧的电压开始建立，电容C1给电感L2充电，电感L2储存能量，输出电容Co给负载R供电。
第二种开关模态，对应图4中的[t1,t2]：等效电路图6所示，开关管S和二极管D2、D4导通，电流的流通途径如图6所示，电容C1通过二极管D4和开关管S构成的回路同时给电感L2和电容C3充电，电感L2和电容C3一起储存能量，同时，电源继续给电感L1充电，电感L1继续储存能量，输出电容Co给负载R供电。
第三种开关模态，对应图4中的[t2,t3]：开关管S和二极管D2、二极管D4和导二极D3管通，电流的流通途径如图7所示，电容C1通过二极管D4和开关管S构成的回路继续给电感L2和电容C3充电，电感L2和电容C3继续储存能量，同时，电源通过二极管D3和开关管S构成的回路给电感L1和电容C2充电，电感L1和电容C2充电同时储存能量，输出电容Co给负载R供电。
第四种开关模态，对应图4中的[t3,t4]：等效电路图8所示，开关管S在t2时关断，同时，二极管D1、Do开通，二极管D2、D3和D4关断，电流的流通途径如图6所示，电源、电感L1、电感L2、电容C1和电容C2同时释放能量给负载，并且给电容C1和输出电容Co充电，电容C1和输出电容Co储存能量。
由上述分析可得增益表达式为：
其中D为开关管S的占空比。
变换器按照第一种开关模态至第四种开关模态工作时，电路中开关管S、电感L1、电感L2、输出二极管Do两端电压、二极管D1两端电压、二极管D2两端电压的波形具体描述如下：
在图9中，输入电压Vin＝24V，输出电压Vo＝200V，开关管S的漏源两端的电压差VDS的纵坐标为50伏/单元格，输出电压Vo纵坐标为50伏/单元格，输出二极管Do两端电压纵坐标为50伏/单元格。
在图10中，输入电压Vin＝24V，输出电压Vo＝200V，开关管S的漏源两端的电压差VDS的纵坐标为50伏/单元格，二极管D2两端电压纵坐标为50伏/单元格,二极管D1两端电压纵坐标为25伏/单元格。
在图11中，输入电压Vin＝24V，输出电压Vo＝200V，开关管S的漏源两端的电压差VDS的纵坐标为50伏/单元格,电感的电压纵坐标为20伏/单元格，电感L1的电流纵坐标为2.5安/单元格。
在图12中，输入电压Vin＝24V，输出电压Vo＝200V，开关管S的漏源两端的电压差VDS的纵坐标为50伏/单元格，电感L2的电压纵坐标为50伏/单元格，电感L2的电流纵坐标为1安/单元格。

Claims (3)

1.双自举级联型DCDC变换器，其特征在于：包括输入电源Vin，输入电源Vin的正极分别连接电感L1的一端和续流二极管D3的阳极，电感L1的另一端分别连接电容C2的一端和续流二极管D2的阳极，电容C2的另一端分别连接续流二极管D3的阴极和续流二极管D1的阳极，续流二极管D1的阴极分别连接电感L2的一端和电容C1的一端，电感L2的另一端分别连接续流二极管D2的阴极、开关管S的漏极和输出整流二极管Do的阳极，输出整流二极管Do的阴极分别连接输出电容Co的一端和负载电阻R的一端，输出电容Co的另一端、负载电阻R的另一端、开关管S的源极和电容C1的另一端分别连接输入电源Vin的负极。
2.根据权利要求1所述的双自举级联型DCDC变换器，其特征在于：还包括续流二极管D4，续流二极管D4的阳极连接电容C1的一端，续流二极管D4的阴极连接输出二极管Do的阳极。
3.根据权利要求2所述的双自举级联型DCDC变换器，其特征在于：还包括升压电容C3，升压电容C3的一端连接续流二极管D2的阴极，升压电容C3的另一端连接输出二极管Do的阳极。
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