CN108809096A - 一种用于宽母线范围的平方高增益升压/升降压变换器 - Google Patents

一种用于宽母线范围的平方高增益升压/升降压变换器 Download PDF

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Abstract

一种用于宽母线范围的平方高增益升压/升降压变换器，包括：第一开关管S1、第二开关管S2、第一电感L1、第二电感L2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、第二电容C2。本发明变换器包含两个有源器件需要控制，控制简单、电路运行原理清晰，具有所有器件无瞬态的过电压应力和过电流应力的优点，可以实现输出电压的非隔离升压，也可以实现输出电压的非隔离升降压。适用于负输出电压需要高增益升压变换，或者高增益升降压变换的场合。

Description

一种用于宽母线范围的平方高增益升压/升降压变换器
技术领域
本发明涉及一种用于宽母线范围的平方高增益升压/升降压变换器，属于高增益变换器技术领域。
背景技术
卫星有效载荷有源单机一般由射频有源单机，如接收机、变频器、固态功率放大器或数字处理类设备等，和二次电源(EPC)两部分组成，二者中间可能配备低频控制板或供电转接板。星载电源作为卫星有效载荷有源单机必不可少的一部分，广泛应用于包含遥感系列卫星、测绘系列卫星、导航系列卫星等不同平台的卫星系统。
星载电源其功能是通过响应星上遥控指令信号，实现开关机控制，将一次电压转换为后级负载需要的二次电压并将二次电压按要求时序进行输出，是星上与一次母线接口相连接的主要供配电设备，同时提供后级载荷工作状态的遥测数据，并保证在负载及母线发生异常状况时及时断电，保护负载设备和一次母线。星载电源性能的优劣直接决定了整机性能的优劣，它的效率决定了整机效率的高低，它的大小决定了整机的大小和重量。
现在卫星平台多样，根据不同功能、不同功率等级，从一百伏母线的东四平台到低至十三伏母线输入的小卫星平台，对于星载二次电源而言，不同的母线平台和不同的功率等级下，需要选择不同的拓扑来满足不同的使用要求。不同的拓扑涉及不同的控制方式、器件选型、磁性元器件设计等关键内容。对于现有星载二次电源而言，已用到的拓扑包括降压式、升压式、半桥式、全桥式、推挽式、正激、反激等，以及上述各拓扑的级联组合。随着卫星平台种类的多样化，导致了由于输入母线范围不一样，不同平台下同一有源载荷对应的电源的种类和数目繁多，不利于产品技术状态控制，不利于产品质量管控，也不利于产品的批量化生产。
对于大功率产品，往往用两级拓扑，两级拓扑即可以满足一定要求的母线调整率和负载调整率，又能在母线大幅度变化时保证效率的相对稳定。但是现有母线平台从13V变化到120V，后级负载的电压从数字处理设备所需要的几伏到激光终端设备所需要的上百伏，变化多样，导致了与之对应的两级拓扑有Buck+半桥、Buck+推挽、Buck+全桥、Boost+半桥、Boost+推挽、Boost+全桥等等，不利于产品的技术状态控制和管理。如果能探索出一种新的拓扑电路，在低母线时工作于升压模式，对输入电压起到提升作用，而高母线时工作于降压或升降压模式，并且通过设计保证不同母线下第一级拓扑之后的电压一致，这样第二级拓扑也可统一。虽然现有升降压电路可以满足这一要求，但由于母线范围变化量高达10余倍，所以传统的升降压电路在不同母线范围内占空比可能趋于0或1，而这在PWM控制芯片的应用中是无法实现的。所以，探索工作模式灵活的新拓扑对于星载二次电源性能的提升具有重要意义。
进一步的，随着新能源和清洁能源占据了越来越大的比例，发挥了越来越重要的作用，学者Pan等在文献1."A novel transformer-less adaptable voltage quadruplerdc converter with low switch voltage stress,"(IEEE Trans.Power Electron.,vol.29,no.9,pp.4787-4796,Sep.2014.)提到，在民用产业中的新能源领域比如燃料电池单元、光伏发电单元等，其本质属性就是基本单元输出电压非常低。学者Saadat等在文献2."A single-switch high step-up dc-dc converter based on quadratic boost,"(IEEE Trans.Ind.Electron,vol.63,no.12,pp.7733-7742,Dec.2016.)中以一个光伏能源系统为例，一个高增益的DC-DC变换器优于多个PV模块串联，因为后者存在阴影效应并且降低了可靠性。上文已经提到，在这些新能源系统中，为了和后级负载所需电压进行匹配，在前一级加一个高增益的DC-DC变换器是比较好的办法，由于前级输入电压约几伏，后级负载所需电压从几十伏到几百伏不等，对这一高增益变换器的增益提出了非常高的要求。
在过去的若干年内，很多学者致力于研究灵活可用的高增益电路。最早的时候学者Maksimovic和Cuk在文献3.“Switching converters with wide DC conversionrange,”(IEEE Trans.Power Electron.,vol.6,no.1,pp.151-157,Jan 1991.)提出了一系列的平方增益拓扑电路，但实际上，受到二级管的单向导通限制，它们只能工作于升压或降压模式。学者Zhang和他的同事在文献4.“A single-switch quadratic buck-boostconverter with continuous input port current and continuous output portcurrent,”(IEEE Trans.Power Electron.,vol.33,no.5,pp.4157-4166,May.2018.)中提出了一种增益为D2/(1-D)2的电路，它由三级基本电路级联而成，半导体器件和无源元件个数分别多达6个。学者Miao和Wang等在文献5.“A new Transformerless buckboostconverter with positive output voltage,”(IEEE Trans.Ind.Electron.,vol.63,no.5,pp.2965-2975,Dec.2016)中提出了一种增益为D2/(1-D)2的电路，在高增益电路中元件个数相对较少，但其输入电流纹波从零到峰值变化，所需滤波器体积大。学者Axelrod等在文献6“Switched-capacitor/switched-inductor structures for gettingtransformerless hybrid DC/DC PWM converters,”(IEEE Trans.Circuits Syst.I:Regular Papers,vol.55,no.2,pp.687-696,Mar.2008.)中提出了一种混合升降压电路，其增益为2D/(1-D)，该增益也不够高。
尽管开关网络和高频变压器被用于提升电压增益，这样也无需占空比工作在极限情况，但学者Yeung等在文献7.“Unified analysis of switched-capacitor resonantconverers,”(IEEE Trans.Ind.Electron.,vol.51,no.4,pp.864873,Aug.2004.)中，学者Tang等在文献8.“A switched-capacitor-based active-network converter with highvoltage gain,”(IEEE Trans.Power Electron.,vol.29,no.6,pp.2959-2968,Jun.2014.)中，学者Abutul等在文献9.“Step-up switching-mode converter with high voltagegain using a switched-capacitor circuit,”(IEEE Trans.Circuits Syst.I.,vol.50,no.8,pp.1098-1102.Aug.2003.)中提到了由于开关网络电容电压的突变和变压器漏感会引起电流尖峰、电压尖峰、电磁干扰问题和效率下降问题。
另外，学者Ding和Wang在文献10.“A new negative output buck-boostconverter with wide conversion ratio,”(IEEE Trans.Ind.Electron.,vol.64,no.12,pp.9322-9333,Dec.2017.)中提到负输出高增益的变换器在音频放大器、信号发生器和数据传输接口中必不可少。而且，学者Forattini等在文献11.“Power conditioning forESRO’s 11Ghz travelling wave tube,”(IEEE Power Electronics SpecialistsConfercnce,pp.256-256,1973)中，学者Phelps等在文献12.“A lightweight highefficiency family of power conditioners for space TWTs,”(International VacuumElectronics Conference,pp.14.1-14.2,2000.)中，学者Bijeev等在文献13.“Design andrealization challenges of power supplies for space TWT,”(IEEE InternationalVacuum Electronics Conference(IVEC),pp.431-432,2011.)中论述，在行波管放大器(TWTA)中，为了电气安全和散热考虑，壳体是参考地并且和螺旋级相连，此时其余所有电压相对螺旋级而言都是负电压。如果前级DC-DC变换器可以获得高增益的负输出，则高压变压器匝比可以减小，这样可以减小变压器极间杂散参数以获得更高的效率。
现有负输出的升压变换器很少，学者Luo在文献14.“Negative output Luoconverters:voltage lift technique.”(IEE Proc.Electr.Power Appl.,vol.146,no.2,pp.208-224,Mar.1999.)中，学者Hwu等在文献15.“Negative-output KY boostconverter,”(IEEE International Symposiumon Industrial Electronics(ISIE),pp.271-274,Jul.2009.)中分别设计了两类负输出高增益变换器，其增益为-1/(1-D),但是这个增益同样不够高。学者Mostaan等在文献16.“A novel single switchtransformerless quadratic DC/DC buck-boost converter,”(19th Europeanconference on Power Electronics and Applications(EPE’17ECCE Europe),pp.1-6,2017.)提出了一种高增益负输出的变换器，其增益为-D(2-D)/(1-D)2,但是，其输入电流纹波在零和峰值之间变化，需要很大的滤波器，同样的，其电应力较高。
同时，很多高增益电路输入电流断续，相同开关频率下必须要加很大体积的输入滤波器来滤除纹波。所以，探索更高增益的输入电流脉动小的新拓扑电路对于新能源的发展具有重要的意义。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种用于宽母线范围的平方高增益升压/升降压变换器，可以实现输出电压的非隔离升压，也可以实现输出电压的非隔离升降压。适用于负输出电压需要高增益升压变换，或者高增益升降压变换的场合。另外，本发明变换器包含两个有源器件需要控制，控制简单、电路运行原理清晰，具有所有器件无瞬态的过电压应力和过电流应力的优点。
本发明的技术方案是：
一种用于宽母线范围的平方高增益升压/升降压变换器，包括：第一开关管S1、第二开关管S2、第一电感L1、第二电感L2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、第二电容C2；第二电容C2连接外部的负载电阻R，向外输出功率；
第一开关管S1的一端连接外部输入电源的正极，第一开关管S1的另一端连接第一电感L1的一端和第一二极管D1的负极，第一电感L1的另一端连接外部输入电源的负极，第一电容C1的一端连接外部输入电源的正极，第一电容C1另一端连接第一二极管D1的正极和第二电感L2的一端，第二电感L2另一端连接第二二极管D2负极和第二开关管S2一端，第二开关管S2另一端连接外部输入电源的正极，第二电容C2的一端连接第二二极管D2正极，第二电容C2的另一端连接外部输入电源Vin的负极，第二电容C2的两端作为输出端，连接外部的负载电阻。
通过改变第一开关管S1和第二开关管S2占空比，调节变换器的输出电压值。
当第一开关管S1、第二开关管S2反相控制时，输出电压VC2和输入电压Vin的增益比G满足以下关系：
D1+D2＝1，
其中，D1为第一开关管S1的占空比，D2为第二开关管S2的占空比，D1∈(0，1)，D2∈(0，1)。
当第一开关管S1、第二开关管S2同相控制时，输出电压VC2和输入电压Vin的增益比G满足以下关系：
D1＝D2，
其中，D1为第一开关管S1的占空比，D2为第二开关管S2的占空比，D1∈(0，1)，D2∈(0，1)，VC2为第二电容C2两端的输出电压，Vin为外部输入电源的输入电压。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明通过将外部输入电源Vin和S1串连，L1并联于外部输入电源Vin、S1的串联支路，S1和L1的并联点连接D1的负极，C1、D1的串联支路并联于S1，C1的一端连接外部输入电源Vin和S1，C1另一端连接D1的正极和L2的一端，L2另一端连接D2负极、S2一端，S2另一端连接外部输入电源Vin、C1的一端和S1，C2一端接D2正极、另一端连接Vin的负端，输出电阻负载R并联于第二电容C2两端。具备工作方式灵活，即可工作于升压模式，又可工作于升降压模式，PWM控制芯片选择范围宽的优点；
(2)本发明在S1和S2反相控制时，工作于升压模式，其输出输入电压增益比绝对值为输出电压始终高于输入电压，具备电压增益高于传统boost电路、文献14中的Luo升压电路和文献15中KY升压电路的优点；
(3)本发明在S1和S2同相控制时，工作于升降压模式，其输出输入电压增益比绝对值为输出电压即可高于输入电压，又可低于输入电压，具备电压增益比大于文献5和文献6中的新提出的两类高增益升降压电路的优点；
(4)本发明在S1和S2同相控制工作于升降压模式，相比于文献5、6、16中新提出的高增益电路，具备在相同电压增益情况下，新提出拓扑的半导体有源器件容量SDP最小，也即意味着相同输入输出情况下，该电路有源器件对应的系统成本和体积相对最小。SDP定义为也即半导体元器件上电压电流应力的乘积之和，是业内用于衡量一个电力电子变换器系统成本和体积的重要标准；
(5)本发明电路升降压模式下和高增益的buck-boost变换器相比，文献5、6、16所述的几类高增益新拓扑，其输入电流均是断续的，电流纹波波动范围在零和最大值之间变化。这就意味着相同开关频率下，需要一个大体积的输入滤波器对输入电流纹波进行滤除。而本发明电路在两种工作模式下的电流都是连续的，有一定波动，但其纹波值远小于完全断续的电流。所以新提出拓扑对应的输入滤波电路体积小，成本低；
(6)本发明通过控制两只第一开关管S1和S2，所有器件无瞬态的过电压应力和过电流应力的优点，具有很好的使用价值。
附图说明
图1为本发明电路图；
图2为本发明电路S1和S2反相控制工作于升压模式时和传统的Boost电路电压增益比对比图；
图3为本发明S1和S2同相控制工作于升降压模式时，和文献5、文献6、文献16中升降压电路电压增益比对比图；
图4为本发明S1和S2同相控制工作于升降压模式时，和文献5、文献6、文献16中升降压电路SDP对比图；
图5为本发明电路S1和S2反相控制工作于升压模式时，从28V升压至105V时的仿真波形图；
图6为本发明电路S1和S2同相控制工作于升降压模式时的仿真波形图。
具体实施方式
本发明针对现有技术的不足，提出一种用于宽母线范围的平方高增益升压/升降压变换器，即可以实现输出电压的升压，也可以实现输出电压的升降压，适用于负输出电压需要升压变换或升降压变换的场合，不隔离输入输出电压，升压模式和升降压模式下，输入电流均是连续的。另外，本发明变换器包含两个有源器件需要控制，可同相控制，可反相控制，控制灵活、PWM控制芯片选择范围宽，电路运行原理清晰，具有所有器件无瞬态的过电压应力和过电流应力的优点，下面结合附图对本发明进行详细说明。
本发明一种用于宽母线范围的平方高增益升压/升降压变换器适用于负输出电压，即需要升压变换又需要升降压变换的场合，输入输出电压非隔离，两种工作模态下，输入电流均是连续的，包括：第一开关管S1、第二开关管S2、第一电感L1、第二电感L2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、第二电容C2；第二电容C2连接外部的负载电阻R，向外输出功率；第一开关管S1的一端连接外部输入电源的正极，第一开关管S1的另一端连接第一电感L1的一端和第一二极管D1的负极，第一电感L1的另一端连接外部输入电源的负极，第一电容C1的一端连接外部输入电源的正极，第一电容C1另一端连接第一二极管D1的正极和第二电感L2的一端，第二电感L2另一端连接第二二极管D2负极和第二开关管S2一端，第二开关管S2另一端连接外部输入电源的正极，第二电容C2的一端连接第二二极管D2正极，第二电容C2的另一端连接外部输入电源Vin的负极，第二电容C2的两端作为输出端，连接外部的负载电阻。
第一开关管S1和第二开关管S2反相控制时，具备升压电压增益比更高的优点。第一开关管S1和第二开关管S2同相控制时，具备升降压电压增益比更高和SDP更小的优点。
本发明通过调节第一开关管S1，第二开关管S2的导通时间长短，也即占空比D的大小实现不同的变换器输出电压值。所述的第一开关管S1、第二开关管S2反相控制时，工作于升压模式，其输出输入电压增益比绝对值为D1+D2＝1，其中，D1为第一开关管S1的占空比，D2为第二开关管S2的占空比，D1∈(0，1)，D2∈(0，1)；所述的第一开关管S1、第二开关管S2同相控制时，工作于升降压模式，其输出输入电压增益比绝对值为D1＝D2，其中，D1为第一开关管S1的占空比，D2为第二开关管S2的占空比，D1∈(0，1)，D2∈(0，1)。
本发明的拓扑电路工作模式多样，控制芯片选择灵活，即可反相控制工作于升压模式，也可同相控制工作于升降压模式。反相控制时，相比于传统Boost电路，增益高于Boost电路。同相控制时，增益大于等于文献5、6、16所述的几类高增益新拓扑，且在相同电压增益情况下，本发明的拓扑电路半导体有源器件容量SDP小于上述三类对比电路，适用于高增益场合，具有很好的使用价值。下面具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实现方式中，非隔离拓扑中外部输入电源Vin取28V，第一电感L1取800uH，第二电感L2取1000uH，第一电容C1取4.7uF，第二电容C2取100uF，输出接电阻负载R取200欧姆，反相控制时占空比选择0.3或0.7，同相控制占空比分别选择0.25和0.7。
为了验证本发明，图2给出了本发明电路S1和S2反相控制工作于升压模式时，和传统的Boost电路电压增益比曲线，该曲线表明，本发明工作于升压模式时比Boost电路具有更高的电压增益。为了验证本发明，图3给出了本发明电路S1和S2同相控制工作于升降压模式时、和文献5、6、16中升降压电路的电压增益比对比曲线，该曲线表明，本发明反相控制时电压增益高于文献5、6中两类升降压电路，和文献16电压增益一样。为了验证本发明，图4给出了本发明电路S1和S2同相控制工作于升降压模式时、和文献5、6、16中几类升降压电路的SDP对比曲线，该曲线表明，相同电源增益情况下，本发明半导体有源器件容量SDP一直小于文献5、6、16中几类升降压电路。为了验证本发明，图5给出了本发明电路S1和S2反相控制工作于升压模式时，从28V升压至105V时的仿真波形图，占空比可为0.3，也可为0.7，图5(a)占空比为0.3，在图5(a)中波形自上而下依次为：场效应管S1驱动电压(2v/div)，第二电容C2电压也即输出电压(0.02v/div)，第一电容C1电压(0.5v/div)，第一电感L1电流(0.05A/div)，第二电感L2电流(0.5A/div)，输入电流Iin(0.5A/div)，横轴时间刻度为296.6ms～296.8ms(50us/div)；图5(b)占空比为0.7，在图5(b)中波形自上而下依次为：场效应管S1驱动电压(2v/div)，第二电容C2电压也即输出电压(0.02v/div)，第一电容C1电压(0.5v/div)，第一电感L1电流(0.1A/div)，第二电感L2电流(0.2A/div)，输入电流Iin(0.5A/div)，横轴时间刻度为296.6ms～296.8ms(50us/div)；可以看到，增益高且输入电流连续。为了验证本发明，图6给出了本发明电路S1和S2同相控制工作于升降压模式时的仿真波形图，降压时从28V降压至21V，占空比0.25，在图6(a)中波形自上而下依次为：场效应管S1驱动电压(2v/div)，第二电容C2电压也即输出电压(0.02v/div)，第一电容C1电压(0.02v/div)，第一电感L1电流(0.05A/div)，第二电感L2电流(0.02A/div)，输入电流Iin(0.05A/div)，横轴时间刻度为296.6ms～296.8ms(50us/div)；图6(b)从28V升压至283V，占空比0.7，在图6(b)中波形自上而下依次为：场效应管S1驱动电压(2v/div)，第二电容C2电压也即输出电压(0.1v/div)，第一电容C1电压(5v/div)，第一电感L1电流(0.2A/div)，第二电感L2电流(0.5A/div)，外部输入电源电流Iin(2A/div)，横轴时间刻度为296.6ms～296.8ms(50us/div)；可以看到，增益高且输入电流连续。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种用于宽母线范围的平方高增益升压/升降压变换器，其特征在于，包括：第一开关管S1、第二开关管S2、第一电感L1、第二电感L2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、第二电容C2；第二电容C2连接外部的负载电阻R，向外输出功率；
第一开关管S1的一端连接外部输入电源的正极，第一开关管S1的另一端连接第一电感L1的一端和第一二极管D1的负极，第一电感L1的另一端连接外部输入电源的负极，第一电容C1的一端连接外部输入电源的正极，第一电容C1另一端连接第一二极管D1的正极和第二电感L2的一端，第二电感L2另一端连接第二二极管D2负极和第二开关管S2一端，第二开关管S2另一端连接外部输入电源的正极，第二电容C2的一端连接第二二极管D2正极，第二电容C2的另一端连接外部输入电源的负极，第二电容C2的两端作为输出端，连接外部的负载电阻R。
2.根据权利要求1所述的一种用于宽母线范围的平方高增益升压/升降压变换器，其特征在于：通过改变第一开关管S1和第二开关管S2占空比，调节变换器的输出电压值。
3.根据权利要求2所述的一种用于宽母线范围的平方高增益升压/升降压变换器，其特征在于：当第一开关管S1、第二开关管S2反相控制时，输出电压VC2和输入电压Vin的增益比G满足以下关系：
D1+D2＝1，
其中，D1为第一开关管S1的占空比，D2为第二开关管S2的占空比，D1∈(0，1)，D2∈(0，1)，VC2为第二电容C2两端的输出电压，Vin为外部输入电源的输入电压。
4.根据权利要求1所述的一种用于宽母线范围的平方高增益升压/升降压变换器，其特征在于：当第一开关管S1、第二开关管S2同相控制时，输出电压VC2和输入电压Vin的增益比G满足以下关系：
D1＝D2，
其中，D1为第一开关管S1的占空比，D2为第二开关管S2的占空比，D1∈(0，1)，D2∈(0，1)，VC2为第二电容C2两端的输出电压，Vin为外部输入电源的输入电压。
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