CN110661424A - 一种高变压器利用率高增益反激式dc/dc变换器 - Google Patents

一种高变压器利用率高增益反激式dc/dc变换器 Download PDF

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Abstract

一种高变压器利用率高增益反激式DC/DC变换器，它包括隔离变压器，功率开关S1、储能电感L1、隔离变压器T、二极管D1、电容C1构成DC/DC变换器，储能电感L1的A端和变压器T的初级绕组输入端同时接输入电源的正极，储能电感L1的B端和变压器T的初级绕组输出端分别接原边功率开关S1的漏极，原边功率开关S1的源极接输入电源的负极，S1的栅极接控制器；它还包括倍压单元。该拓扑解决了反激变换器变压器利用率低，实现变压器利用率的提高的同时具有高增益多级调压能力。

Description

一种高变压器利用率高增益反激式DC/DC变换器
技术领域
本发明属于电子技术领域，具体涉及一种高变压器利用率高增益反激式DC/DC变换器。
背景技术
在现有技术中，反激式DC/DC变换器中，隔离变压器起着电感和变压器双重作用，既具有输入输出隔离的功能，还具有储能的作用，且反激式DC/DC变换器电路为单开关，驱动不需隔离，电路比较简单，体积较小，成本也较低，被广泛应用于中小功率场合。
但是，传统的反激式DC/DC变换器变压器，例如授权公告号为CN103401431B的专利文献公开了一种高稳定性反激式DC-DC变换器，该变换器在反激式拓扑中采用了电压和电流两个反馈环路，使得变换器装置的瞬态响应加快。并采用了新型的频率补偿电路。其中频率补偿电路主要包括误差放大器、密勒电容控制单元和动态零点控制单元。通过米勒电容控制单元，可以使用较小的补偿电容代替传统主极点补偿中的大补偿电容，这样既节省了面积又提高系统瞬态响应。通过动态零点控制单元，可以使引入的零点在输出有波动的情况下很好的抵消系统的第一非主极点，保证系统的稳定性。它在开关导通时，变压器不能向变压器次级传输能量，只有在开关关断时，变压器初级能量才传递到次级，且传统反激式DC/DC变换器在变压器初次级绕组变比不大时难以实现高增益升压，而若通过较大的变压器匝数比来实现高增益升压，则又会带来变压器漏感大、绕制困难等问题，使得其在输入输出变比较高的场合难以胜任。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有反激式DC/DC变换器在变压器初次级绕组变比不大时难以实现高增益升压，而若通过较大的变压器匝数比来实现高增益升压，则又会带来变压器漏感大、绕制困难等问题，会造成反激变换器变压器利用率低的技术问题。
一种高变压器利用率高增益反激式DC/DC变换器，它包括DC/DC变换器,DC/DC变换器包括功率开关S1、储能电感L1、隔离变压器T、二极管D1、电容C1，储能电感L1的A端和变压器T的初级绕组输入端同时接输入电源的正极，储能电感L1的B端和变压器T的初级绕组输出端分别接原边功率开关S1的漏极，原边功率开关S1的源极接输入电源的负极，S1的栅极接控制器；
它还包括倍压单元，所述倍压单元是由一个二极管、一个电感和两个电容组成的具有三个端口的单元，左侧电容第一接口作为倍压单元第一端口，电感第二接口作为倍压单元第二端口，右侧电容第二接口作为倍压单元第三端口。
上述倍压单元中电容C2的第一端口与基本反激变换器二极管D1的阴极连接，倍压单元中电感L2的第二端口与基本反激变换器二极管D1的阳极连接，电容C2的第二端口与电感L2的第一端口连接，倍压单元中电容C21第一端口和二极管D2阳极连接，电容C21第二端口连接输出端负极，二极管D2阴极与电容C2的第二端口连接；
二极管D1的阴极在与电容C2连接后再与隔离变压器T副边线圈的A端连接；二极管D1的阳极与电容C1、电感L2连接后经电容C1与隔离变压器T副边线圈的B端连接。
它包括至少1个倍压单元，n个倍压单元按顺序从上一级倍压单元二极管的阴极至隔离变压器T副边线圈的B端。
上述第1个倍压单元的电容C2第一端口接二极管D1的阴极，第1个倍压单元电感L2的第二端口接二极管D1的阳极，第1个倍压单元电容C21第二端口连接输出负极，二极管D2阴极与电容C2的第二端口连接；第2个倍压单元的电容C3第一端口接第一倍压单元二极管D2的阴极，第2个倍压单元电感L3的第二端口接第一倍压单元二极管D2的阳极，第2个倍压单元电容C31第二端口接输出负极，二极管D3阴极与电容C3的第二端口连接；以此类推，一直到第n个倍压单元；n为自然数，取值范围为n≥1。
在原边功率开关S1导通时，二极管D1、D2、D3关断，输入电压加在变压器初级绕组上，初级线圈电流上升，变压器储能增加，同时将能量传输到次级绕组，二极管D1、D2、D3承受反向电压截止，变压器次级线圈为第1和第2倍压单元电容C2、电容C3、电感L2、电感L3充电，电容C1、C21、C31为负载供电，实现开关导通时，变压器能量传递，提高变压器利用率。
在原边功率开关S1关断时，二极管D1、D2、D3导通，变压器次级线圈电流下降，电容C1、C21、C31充电，电容C2、电容C3放电，同时电感L2、电感L3通过二极管D1、D2放电。
采用上述技术方案，本发明能带来以下技术效果：
1)、变压器在开关导通和关断时均有能量传递，可以提高变压器的利用率；
2)、本发明加入倍压单元，可以实现变换器的高增益升压，且增益可调，同时实现了提高变压器利用率的双重效果，应用范围广泛，避免了使用较大的变压器匝数比来实现高增益升压带来的变压器漏感大、绕制困难等问题，更适用于大容量高升压场合；
3)、本发明可根据具体应用场合的不同而设计采用不同数量的倍压单元，扩展了变换器的应用场合；
4)、电路拓扑简单，变压器利用率高，控制系统设计和实现难度均较低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1是本发明电路原理总图；
图2是本发明所提含有2个倍压单元的具体电路原理图；
图3是本发明中所采用的单一倍压单元电路图。
具体实施方式
如图1至图3所示一种高变压器利用率高增益反激式DC/DC变换器，它包括DC/DC变换器,DC/DC变换器包括功率开关S1、储能电感L1、隔离变压器T、二极管D1、电容C1，，储能电感L1的A端和变压器T的初级绕组输入端同时接输入电源的正极，储能电感L1的B端和变压器T的初级绕组输出端分别接原边功率开关S1的漏极，原边功率开关S1的源极接输入电源的负极，S1的栅极接控制器；
它还包括倍压单元1，所述倍压单元是由一个二极管、一个电感和两个电容组成的具有三个端口的单元，左侧电容第一接口作为倍压单元第一端口，电感第二接口作为倍压单元第二端口，右侧电容第二接口作为倍压单元第三端口。其作用是在开关S1导通阶段，可使得隔离变压器T副边线圈与电容C1、倍压单元电容C2、电感L2形成回路，实现开关S1导通时反激变换器能量传递的功能，来提高变压器利用率。并且通过倍压单元电容、电感的充放电来实现提高电路拓扑增益的效果。
所述倍压单元中电容C2的第一端口与基本反激变换器二极管D1的阴极连接，倍压单元中电感L2的第二端口与基本反激变换器二极管D1的阳极连接，电容C2的第二端口与电感L2的第一端口连接，倍压单元中电容C21第一端口和二极管D2阳极连接，电容C21第二端口连接输出端负极，二极管D2阴极与电容C2的第二端口连接；
二极管D1的阴极在与电容C2连接后再与隔离变压器T副边线圈的A端连接；二极管D1的阳极与电容C1、电感L2连接后经电容C1与隔离变压器T副边线圈的B端连接。
它包括至少1个倍压单元，n个倍压单元按顺序从上一级倍压单元二极管的阴极至隔离变压器T副边线圈的B端。
所述第1个倍压单元的电容C2第一端口接二极管D1的阴极，第1个倍压单元电感L2的第二端口接二极管D1的阳极，第1个倍压单元电容C21第二端口连接输出负极，二极管D2阴极与电容C2的第二端口连接；第2个倍压单元的电容C3第一端口接第一倍压单元二极管D2的阴极，第2个倍压单元电感L3的第二端口接第一倍压单元二极管D2的阳极，第2个倍压单元电容C31第二端口接输出负极，二极管D3阴极与电容C3的第二端口连接；以此类推，一直到第n个倍压单元；n为自然数，取值范围为n≥1。
实施实例:
如图2所示，以含有两个倍压单元为例，一种高变压器利用率高增益反激式DC/DC变换器，包含储能电感L1、功率开关S1、变压器T、二极管D1、电容C1、第一倍压单元电感L2、电容C2、电容C21、二极管D2,第二倍压单元电感L3、电容C3、电容C31、二极管D3，其电路连接关系为：
储能电感L1和变压器T的初级绕组输入端同时接输入电源的正极，储能电感L1另一端和变压器T的初级绕组输出端分别接原边功率开关S1的漏极，原边功率开关S1的源极接输入电源的负极，S1的栅极接控制器。
第1个倍压单元电容C2的第一端口与二极管D1的阴极连接，第1个倍压单元电感L2的第二端口与二极管D1的阳极连接，电容C2的第二端口与电感L2的第一端口连接，第1个倍压单元电容C21第一端口和二极管D2阳极连接，电容C21第二端口连接输出负极，二极管D2阴极与电容C2的第二端口连接；第2个倍压单元的电容C3第一端口接第一倍压单元二极管D2的阴极，第2个倍压单元电感L3的第二端口接第一倍压单元二极管D2的阳极，第2个倍压单元电容C31第二端口接输出负极，二极管D3阴极与电容C3的第二端口连接。
图3中：第一端口A，第二端口B，第三端口C。
根据变换器开关管状态的不同，可将电路分为2个工作过程，分别为：原边率开关S1导通，二极管关断；原边功率开关S1关断，二极管导通；具体如下：
1)原边功率开关S1导通时，二极管D1、D2、D3关断，输入电压加在变压器初级绕组上，初级线圈电流上升，变压器储能增加，同时将能量传输到次级绕组，二极管D1、D2、D3承受反向电压截止，变压器次级线圈为第1和第2倍压单元电容C2、电容C3、电感L2、电感L3充电，电容C1、C21、C31为负载供电，实现开关导通时，变压器能量传递，提高变压器利用率。
2)原边功率开关S1关断时，二极管D1、D2、D3导通，变压器次级线圈电流下降，电容C1、C21、C31充电，电容C2、电容C3放电，同时电感L2、电感L3通过二极管D1、D2放电。
综上所述，该拓扑解决了反激变换器变压器利用率低的问题，实现了反激变换器在开关导通阶段能量的传递，改变了传统反激变换器只能在开关关断时才能传递能量的缺陷；并且倍压单元结构简单，仅由两个电感一个电容和一个二极管组成，相比于级联方案或者采用极端占空比、高变压器匝数比等现有方案，该倍压单元结构简单造价成本低可靠性高，且易于实施，实现变压器利用率的提高的同时具有高增益多级调压能力的双重功能。

Claims (6)

1.一种高变压器利用率高增益反激式DC/DC变换器，其特征在于：它包括DC/DC变换器，DC/DC变换器包括功率开关S1、储能电感L1、隔离变压器T、二极管D1、电容C1，储能电感L1的A端和变压器T的初级绕组输入端同时接输入电源的正极，储能电感L1的B端和变压器T的初级绕组输出端分别接原边功率开关S1的漏极，原边功率开关S1的源极接输入电源的负极，S1的栅极接控制器；它还包括倍压单元(1)，所述倍压单元是由一个二极管、一个电感和两个电容组成的具有三个端口的单元，左侧电容第一接口作为倍压单元第一端口，电感第二接口作为倍压单元第二端口，右侧电容第二接口作为倍压单元第三端口。
2.根据权利要求1所述的高变压器利用率高增益反激式DC/DC变换器，其特征在于：所述倍压单元中电容C2的第一端口与基本反激变换器二极管D1的阴极连接，倍压单元中电感L2的第二端口与基本反激变换器二极管D1的阳极连接，电容C2的第二端口与电感L2的第一端口连接，倍压单元中电容C21第一端口和二极管D2阳极连接，电容C21第二端口连接输出端负极，二极管D2阴极与电容C2的第二端口连接；二极管D1的阴极在与电容C2连接后再与隔离变压器T副边线圈的A端连接；二极管D1的阳极与电容C1、电感L2连接后经电容C1与隔离变压器T副边线圈的B端连接。
3.根据权利要求1或2所述的高变压器利用率高增益反激式DC/DC变换器，其特征在于：它包括至少1个倍压单元，n个倍压单元按顺序从上一级倍压单元二极管的阴极至隔离变压器T副边线圈的B端。
4.根据权利要求3所述的高变压器利用率高增益反激式DC/DC变换器，其特征在于：所述第1个倍压单元的电容C2第一端口接二极管D1的阴极，第1个倍压单元电感L2的第二端口接二极管D1的阳极，第1个倍压单元电容C21第二端口连接输出负极，二极管D2阴极与电容C2的第二端口连接；第2个倍压单元的电容C3第一端口接第一倍压单元二极管D2的阴极，第2个倍压单元电感L3的第二端口接第一倍压单元二极管D2的阳极，第2个倍压单元电容C31第二端口接输出负极，二极管D3阴极与电容C3的第二端口连接；以此类推，一直到第n个倍压单元；n为自然数，取值范围为n≥1。
5.根据权利要求4所述的高变压器利用率高增益反激式DC/DC变换器，其特征在于：在原边功率开关S1导通时，二极管D1、D2、D3关断，输入电压加在变压器初级绕组上，初级线圈电流上升，变压器储能增加，同时将能量传输到次级绕组，二极管D1、D2、D3承受反向电压截止，变压器次级线圈为第1和第2倍压单元电容C2、电容C3、电感L2、电感L3充电，电容C1、C21、C31为负载供电，实现开关导通时，变压器能量传递，提高变压器利用率。
6.根据权利要求4或5所述的高变压器利用率高增益反激式DC/DC变换器，其特征在于：在原边功率开关S1关断时，二极管D1、D2、D3导通，变压器次级线圈电流下降，电容C1、C21、C31充电，电容C2、电容C3放电，同时电感L2、电感L3通过二极管D1、D2放电。
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Application publication date: 20200107

Assignee: NANJING YANXU ELECTRICAL TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: CHINA THREE GORGES University

Contract record no.: X2023980039976

Denomination of invention: A High Transformer Utilization and High Gain Flyback DC/DC Converter

Granted publication date: 20210402

License type: Common License

Record date: 20230823