CN109905025B - 一种高增益dc-dc开关变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高增益DC‑DC开关变换器。包括直流输入电源，第一开关管、第二开关管、第三开关管，第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管，第一电感、第二电感、第三电感，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和负载。本发明相比于传统Boost升压型开关变换器，在相同占空比下具有更高的电压增益，且开关管电压应力小，控制方便等，非常适合于高升压比直流电压变换应用场合。

Description

一种高增益DC-DC开关变换器

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种高增益DC-DC开关变换器。

背景技术

近年来，随着能源危机和环境污染问题日益严重,以光伏系统、风力发电以及燃料电池等为代表的新能源在工业领域中发挥着越来越重要的作用。然而由于单体燃料电池或光伏电池的直流输出电压等级较低，无法满足并网逆变器直流侧的电压等级要求，因此需要在发电系统的直流母线侧前端增加高增益DC-DC变换器来提升电压等级，供给后级的并网逆变器。所以，具有高效率、高功率密度的高电压增益DC-DC变换器一直是开关变换器领域的研究热点。

传统Boost 变换器在实现高电压增益时需要工作在极端占空比状态，开关管和二极管的电压应力较大，且二极管反向恢复过程导致开关管开通时流过很大的尖峰电流，变换器效率低。同时极大的占空比也会影响变换器的动态性能和可靠性。使用变压器或耦合电感可以实现高电压增益，但是电压比较大的变压器或耦合电感的漏感引起的电压尖峰会增加开关管或二极管的电压应力，并导致严重的电磁干扰问题。而在不要求电气隔离的场合，为了获得高增益，同时兼有较大的变换效率和较小的体积，非隔离型变换器得到了广泛的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高增益DC-DC开关变换器，通过控制第一、第二、第三开关管的占空比D可以实现直流输入电源V_in对负载供电，使得开关管变换器的电压增益为M=4/(1-D)，远高于传统升压变换器（Boost变换器）的电压增益M=1/(1-D)。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种高增益DC-DC开关变换器，包括直流输入电源、第一至第三开关管、第一至第四二极管、第一至第三电感、第一至第四电容、负载；直流输入电源的正极分别与第一电感的一端、第二电感的一端、第三电感的一端连接，直流输入电源的的负极分别与第一开关管的一端、第二开关管的一端、第三开关管的一端、第四二极管的阴极连接，第一电感的另一端与第二电容的负极、第一开关管的另一端连接，第二电感的另一端与第三电容的负极、第二开关管的另一端连接，第三电感的另一端与第四电容的正极、第三开关管的另一端、第三二极管的阳极连接，第二电容的正极与第一二极管的阴极、第二二极管的阳极连接，第三电容的正极与第一二极管的阳极、第三二极管的阴极连接，第二二极管的阴极与第一电容的正极、负载的一端连接，第一电容的负极、负载的另一端与第四电容的负极、第四二极管的阳极连接。

在本发明一实施例中，该开关变换器的工作方式为：设第一开关管、第二开关管、第三开关管占空比均为D，且三个开关管在一个开关周期内至少有两个开关管导通，即三个开关管中至少有两个开关管驱动信号互有交叠；通过控制第一开关管、第二开关管、第三开关管的占空比D可以实现直流输入电源对负载供电，使得所述开关变换器的电压增益达到M=4/(1-D)。

在本发明一实施例中，该开关变换器的具体工作方式如下：

（t₀-t₁）阶段：第一开关管、第二开关管、第三开关管均导通，直流输入电源对第一电感、第二电感、第三电感充电，第一电感、第二电感、第三电感电流均线性上升，第一电容给负载供电；

（t₁-t₂）阶段：t₁时刻，第一开关管关断，第二开关管、第三开关管导通，第一电感续流，与第二电容、第四电容串联，经过第三开关管、第二二极管给负载侧供电，第一电感电流线性下降，第二电感、第三电感两端电压均为直流输入电源输出电压值V_in，第二电感、第三电感继续线性充电；

（t₂-t₃）阶段：t₂时刻，第二开关管关断，第一开关管、第三开关管导通，第二电感续流，并与第三电容串联，经过第一开关管、第一二极管给第二电容充电，第二电感电流线性下降，第一电感、第三电感两端电压均为直流输入电源输出电压值V_in，第一电感、第三电感继续线性充电；

（t₃-t₄）阶段：t₃时刻，第三开关管关断，第一开关管、第二开关管导通，第三电感续流，其电流线性下降，此时续流路径有两条：①第三电感电流经过第三二极管、第二开关管对第三电容充电；②第三电感电流经过第四二极管对第四电容充电，第一电感、第二电感两端电压均为直流输入电源输出电压值V_in，第一电感、第二电感电流继续线性上升。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明相比于传统Boost升压型开关变换器，在相同占空比下具有更高的电压增益，且开关管电压应力小，控制方便等，非常适合于高升压比直流电压变换应用场合。

附图说明

图1为本发明的高增益DC-DC开关变换器。

图2为本发明高增益DC-DC开关变换器主要工作波形图。

图3为本发明高增益DC-DC变换器主要工作过程。

图4为本发明高增益DC-DC变换器主要仿真波形。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供了一种高增益DC-DC开关变换器，包括直流输入电源、第一至第三开关管、第一至第四二极管、第一至第三电感、第一至第四电容、负载；直流输入电源的正极分别与第一电感的一端、第二电感的一端、第三电感的一端连接，直流输入电源的的负极分别与第一开关管的一端、第二开关管的一端、第三开关管的一端、第四二极管的阴极连接，第一电感的另一端与第二电容的负极、第一开关管的另一端连接，第二电感的另一端与第三电容的负极、第二开关管的另一端连接，第三电感的另一端与第四电容的正极、第三开关管的另一端、第三二极管的阳极连接，第二电容的正极与第一二极管的阴极、第二二极管的阳极连接，第三电容的正极与第一二极管的阳极、第三二极管的阴极连接，第二二极管的阴极与第一电容的正极、负载的一端连接，第一电容的负极、负载的另一端与第四电容的负极、第四二极管的阳极连接。该开关变换器的工作方式为：设第一开关管、第二开关管、第三开关管占空比均为D，且三个开关管在一个开关周期内至少有两个开关管导通，即三个开关管中至少有两个开关管驱动信号互有交叠；通过控制第一开关管、第二开关管、第三开关管的占空比D可以实现直流输入电源对负载供电，使得所述开关变换器的电压增益达到M=4/(1-D)。

本发明开关变换器的具体工作方式如下：

（t₀-t₁）阶段：第一开关管、第二开关管、第三开关管均导通，直流输入电源对第一电感、第二电感、第三电感充电，第一电感、第二电感、第三电感电流均线性上升，第一电容给负载供电；

（t₁-t₂）阶段：t₁时刻，第一开关管关断，第二开关管、第三开关管导通，第一电感续流，与第二电容、第四电容串联，经过第三开关管、第二二极管给负载侧供电，第一电感电流线性下降，第二电感、第三电感两端电压均为直流输入电源输出电压值V_in，第二电感、第三电感继续线性充电；

（t₂-t₃）阶段：t₂时刻，第二开关管关断，第一开关管、第三开关管导通，第二电感续流，并与第三电容串联，经过第一开关管、第一二极管给第二电容充电，第二电感电流线性下降，第一电感、第三电感两端电压均为直流输入电源输出电压值V_in，第一电感、第三电感继续线性充电；

（t₃-t₄）阶段：t₃时刻，第三开关管关断，第一开关管、第二开关管导通，第三电感续流，其电流线性下降，此时续流路径有两条：①第三电感电流经过第三二极管、第二开关管对第三电容充电；②第三电感电流经过第四二极管对第四电容充电，第一电感、第二电感两端电压均为直流输入电源输出电压值V_in，第一电感、第二电感电流继续线性上升。

以下为本发明的具体实现过程。

如图1所示，本发明提供了一种高增益DC-DC开关变换器，包括直流输入电源Vin、第一至第三开关管S₁-S₃、第一至第四二极管D₁-D₄、第一至第三电感L₁-L₃、第一至第四电容C₀-C₃、负载R。该高增益DC-DC开关变换器工作模式如下：

开关管S₁、S₂和S₃占空比均为D，且三个开关管在一个开关周期内至少有两个开关管导通，即三个开关管中至少有两个开关管驱动信号互有交叠。通过控制开关管S₁、S₂和S₃的占空比D可以实现输入电源V_in对负载供电，本发明的三开关直流变换器的电压增益为M=4/(1-D)，远高于传统升压变换器（Boost变换器）的电压增益M=1/(1-D)。

本发明高增益DC-DC开关变换器的增益推导过程如下：

稳态时有：

式中，V_in为输入电源电压，D为开关管S₁、S₂和S₃的占空比，V_c1为电容C₁两端电压，V_c2为电容C₂两端电压，V_c3为电容C₃两端电压。

根据电感L₁伏秒平衡有：

则

式中，V_o为变换器输出电压。

如图2-3所示，本发明高增益DC-DC开关变换器的具体工作过程如下：

（t0-t1）阶段：开关管S₁、S₂、S₃均导通，V_in对电感L₁、L₂、L₃充电，电感L₁、L₂、L₃电流均线性上升，电容C_o给负载供电。工作过程如图3（a）所示。

（t1-t2）阶段：t₁时刻，开关管S₁关断，开关管S₂、S₃导通，电感L₁续流，与电容C₁、C₃串联，经过开关管S₃、二极管D₂给负载侧供电，L₁电流线性下降，电感L₂、L₃两端电压均为V_in，电感L₁、L₂继续线性充电。工作过程如图3（b）所示。

（t2-t3）阶段：t₂时刻，开关管S₂关断，开关管S₁、S₃导通，电感L₂续流，并与电容C₂串联，经过开关管S₁、二极管D₁给电容C₁充电，电感L₂电流线性下降，电感L₁、L₃两端电压均为V_in，电感L₁、L₃继续线性充电。工作过程如图3（c）所示。

（t3-t4）阶段：t₃时刻，开关管S₃关断，开关管S₁、S₂导通，电感L₃续流，其电流线性下降，此时续流路径有两条：①电感L₃电流经过D₃ 、S₂对电容C₂充电；②电感电流经过D₄ 对电容C₃充电，电感L₁、L₂两端电压均为V_in，电感L₁、L₂电流继续线性上升。工作过程如图3（d）所示。

当V_in=10V，D=0.667时，主要仿真波形如图4所示，可以看出输出电压仿真值与由V_o=4*V_in/(1-D)计算出来的理论值一致。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种高增益DC-DC开关变换器，其特征在于，包括直流输入电源、第一至第三开关管、第一至第四二极管、第一至第三电感、第一至第四电容、负载；直流输入电源的正极分别与第一电感的一端、第二电感的一端、第三电感的一端连接，直流输入电源的的负极分别与第一开关管的一端、第二开关管的一端、第三开关管的一端、第四二极管的阴极连接，第一电感的另一端与第二电容的负极、第一开关管的另一端连接，第二电感的另一端与第三电容的负极、第二开关管的另一端连接，第三电感的另一端与第四电容的正极、第三开关管的另一端、第三二极管的阳极连接，第二电容的正极与第一二极管的阴极、第二二极管的阳极连接，第三电容的正极与第一二极管的阳极、第三二极管的阴极连接，第二二极管的阴极与第一电容的正极、负载的一端连接，第一电容的负极、负载的另一端与第四电容的负极、第四二极管的阳极连接。

2.根据权利要求1所述的一种高增益DC-DC开关变换器，其特征在于，该开关变换器的工作方式为：设第一开关管、第二开关管、第三开关管占空比均为D，且三个开关管在一个开关周期内至少有两个开关管导通，即三个开关管中至少有两个开关管驱动信号互有交叠；通过控制第一开关管、第二开关管、第三开关管的占空比D可以实现直流输入电源对负载供电，使得所述开关变换器的电压增益达到M=4/(1-D)。

3.根据权利要求1或2所述的一种高增益DC-DC开关变换器，其特征在于，该开关变换器的具体工作方式如下：

（t₀-t₁）阶段：第一开关管、第二开关管、第三开关管均导通，直流输入电源对第一电感、第二电感、第三电感充电，第一电感、第二电感、第三电感电流均线性上升，第一电容给负载供电；

（t₁-t₂）阶段：t₁时刻，第一开关管关断，第二开关管、第三开关管导通，第一电感续流，与第二电容、第四电容串联，经过第三开关管、第二二极管给负载侧供电，第一电感电流线性下降，第二电感、第三电感两端电压均为直流输入电源输出电压值V_in，第二电感、第三电感继续线性充电；

（t₂-t₃）阶段：t₂时刻，第二开关管关断，第一开关管、第三开关管导通，第二电感续流，并与第三电容串联，经过第一开关管、第一二极管给第二电容充电，第二电感电流线性下降，第一电感、第三电感两端电压均为直流输入电源输出电压值V_in，第一电感、第三电感继续线性充电；

（t₃-t₄）阶段：t₃时刻，第三开关管关断，第一开关管、第二开关管导通，第三电感续流，其电流线性下降，此时续流路径有两条：①第三电感电流经过第三二极管、第二开关管对第三电容充电；②第三电感电流经过第四二极管对第四电容充电，第一电感、第二电感两端电压均为直流输入电源输出电压值V_in，第一电感、第二电感电流继续线性上升。

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