CN110677040A - 一种三次型降压变换器 - Google Patents

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郑昌陆
张能
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Abstract

本发明涉及电力电子变换器和电能变换技术领域，尤其涉及一种三次型降压变换器，利用电感‑电容‑二极管网络的内在特性，功率开关管开通时，三个功率电感同时储存能量，两个中间储能电容对外释放能量，功率开关管关断时，三个功率电感分别将存储的能量释放给两个中间储能电容和负载，只利用一个功率开关管实现了输出电压的高降压，即输出电压为输入电压的D3倍，其中D为本发明提供的变换器工作时功率开关管的占空比。

Description

一种三次型降压变换器
技术领域
本发明涉及电力电子变换器和电能变换技术领域，尤其涉及一种三次型降压变换器。
背景技术
传统的降压变换器电压增益变化范围较小，通常输出电压只能为输入电压的0.1-0.9倍，很多时候已经无法满足实际应用需要。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种三次型降压变换器，利用电感-电容-二极管网络的内在特性，通过功率开关管的通断状态的切换实现降压变换器增益的拓展。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种三次型降压变换器，其特征在于：包括输入电源Vg、功率开关管S、第一功率电感L1、第二功率电感L2、第三功率电感L3、第一中间储能电容C1、第二中间储能电容C2、输出电容C3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、负载R；
其中，所述输入电源Vg的正极分别与所述第一二极管D1的阴极、所述第一功率电感L1的一端连接；
所述第一功率电感L1的另一端分别与所述第一中间储能电容C1的一端、所述第二二极管D2的阴极、所述功率开关管S的漏极连接；
所述第一中间储能电容C1的另一端分别与所述第二功率电感L2的一端、所述第三二极管D3的阳极连接；
所述第三二极管D3的阴极分别与所述第二二极管D2的阳极、所述第二中间储能电容C2的一端连接；
所述第二功率电感L2的另一端分别与所述第一二极管D1的阳极、所述第二中间储能电容C2的另一端、所述第四二极管D4的阴极连接；
所述功率开关管S的源极分别与所述第三功率电感L3的一端、所述第五二极管D5的阴极连接；
所述第三功率电感L3的另一端分别与所述输出电容C3的一端、所述负载R的一端连接；
所述负载R的另一端、所述输出电容C3的另一端、所述第五二极管D5的阳极、所述第四二极管D4的阳极与所述输入电源Vg的负极连接。
所述功率开关管S开通时，所述输入电源Vg给所述第一功率电感L1和所述第三功率电感L3充电，所述第一中间储能电容C1给所述第二功率电感L2和所述第三功率电感L3充电，所述第二中间储能电容C2给所述第三功率电感L3充电。
所述功率开关管S关断时，所述第一功率电感L1经所述第一二极管D1和所述第三二极管D3向所述第一中间储能电容C1和所述第二中间储能电容C2释放能量，所述第二功率电感L2经所述第三二极管D3向所述第二中间储能电容C2释放能量，所述第三功率电感L3经所述第五二极管D5向所述负载R提供能量。
本发明的优点是：变换器的增益可以在0.001-0.729范围内变化，即输出电压最低可以达到输入电压的0.001倍，大幅拓展了传统降压变换器的增益范围；无需额外的功率开关管，结构简单，控制方便；利用电感-电容-二极管网络的内在特性，功率开关管开通时，三个功率电感同时储存能量，两个中间储能电容对外释放能量，功率开关管关断时，三个功率电感分别将存储的能量释放给两个中间储能电容和负载，只利用一个功率开关管实现了输出电压的高降压，即输出电压为输入电压的D3倍，其中D为本发明提供的变换器工作时功率开关管的占空比。
附图说明
图1为本发明的实施例的电路图；
图2为图1所示电路图在一个开关周期内的工作模态一的电路图；
图3为图1所示电路图在一个开关周期内的工作模态二的电路图；
图2-3中，实线表示变换器中有电流流过的部分，虚线表示变换器中没有电流流过的部分，图2中的点划线和箭头方向代表在工作模态一时电路中电流流过的方向，图3中的点线和箭头方向代表在工作模态二时电路中电流流过的方向。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
实施例：本实施例中的三次型降压变换器利用利用电感-电容-二极管网络的内在特性的内在特性，实现降压变换器电压增益的拓展。
如图1所示，本实施例中的三次型降压变换器包括输入电源Vg，功率开关管S，第一功率电感L1，第二功率电感L2，第三功率电感L3，第一中间储能电容C1，第二中间储能电容C2，输出电容C3，第一二极管D1，第二二极管D2，第三二极管D3，第四二极管D4，第五二极管D5，负载R。
其中，输入电源Vg的正极分别与第一二极管D1的阴极、第一功率电感L1的一端连接；
第一功率电感L1的另一端分别与第一中间储能电容C1的一端、第二二极管D2的阴极、功率开关管S的漏极连接；
第一中间储能电容C1的另一端分别与第二功率电感L2的一端、第三二极管D3的阳极连接；
第三二极管D3的阴极分别与第二二极管D2的阳极、第二中间储能电容C2的一端连接；
第二功率电感L2的另一端分别与第一二极管D1的阳极、第二中间储能电容C2的另一端、第四二极管D4的阴极连接；
功率开关管S的源极分别与第三功率电感L3的一端、第五二极管D5的阴极连接；
第三功率电感L3的另一端分别与输出电容C3的一端、负载R的一端连接。
所述负载R的另一端、输出电容C3的另一端、第五二极管D5的阳极、第四二极管D4的阳极与输入电源Vg的负极连接。
如图2和图3所示，本实施例中的三次型降压变换器在一个周期内主要有2个工作模态，分别描述如下：
工作模态一：
如图2所示，功率开关管S开通，第二二极管D2和第四二极管D4导通，第一二极管D1、第三二极管D3和第五二极管D5截止。输入电源Vg给第一功率电感L1和第三功率电感L3充电，第一中间储能电容C1给第二功率电感L2和第三功率电感L3充电，第二中间储能电容C2给第三功率电感L3充电，因此三个功率电感在工作模态1均储能，两个中间储能电容在工作模态1均释放能量。
在此工作模态下，相关电气参数关系式可描述为：
Figure 272920DEST_PATH_IMAGE001
（1）
（2）
（3）
其中，Vg表示输入电源电压，
Figure 251916DEST_PATH_IMAGE004
表示第一中间储能电容C1两端的稳态电压，
Figure 652941DEST_PATH_IMAGE005
表示第二中间储能电容两端C2的稳态电压，
Figure 138280DEST_PATH_IMAGE006
表示稳态输出电压，
Figure 432995DEST_PATH_IMAGE007
表示第一功率电感L1在工作模态1两端承受的电压，
Figure 876746DEST_PATH_IMAGE008
表示第二功率电感L2在工作模态一两端承受的电压，表示第三功率电感L3在工作模态一两端承受的电压。
工作模态二：
如图3所示，功率开关管S关断，第一二极管D1、第三二极管D3和第五二极管D5导通，第二二极管D2和第四二极管D4截止。第一功率电感L1经第一二极管D1和第三二极管D3向第一中间储能电容C1和第二中间储能电容C2释放能量，第二功率电感L2经第三二极管D3向第二中间储能电容C2释放能量，第三功率电感L3经第五二极管D5向负载R提供能量，因此三个功率电感在工作模态2均释放能量，两个中间储能电容在工作模态2均储能。
在此工作模态下，相关电气参数关系式可描述为：
Figure 614950DEST_PATH_IMAGE010
（4）
Figure 764171DEST_PATH_IMAGE011
（5）
Figure 113244DEST_PATH_IMAGE012
（6）
其中，
Figure 551179DEST_PATH_IMAGE013
表示第一功率电感L1在工作模态二两端承受的电压，
Figure 643900DEST_PATH_IMAGE014
表示第二功率电感L2在工作模态二两端承受的电压，
Figure 647628DEST_PATH_IMAGE015
表示第三功率电感L3在工作模态二两端承受的电压。
变换器稳定工作时电压增益分析：
若设定功率开关管S工作的开关周期为
Figure 761077DEST_PATH_IMAGE016
，占空比为
Figure 358412DEST_PATH_IMAGE017
，即工作模态一持续时间为
Figure 113878DEST_PATH_IMAGE018
，工作模态2持续时间为
Figure 346014DEST_PATH_IMAGE019
。
根据电感固有的伏秒平衡特性，可得：
Figure 630365DEST_PATH_IMAGE020
（7）
（8）
Figure 274153DEST_PATH_IMAGE022
（9）
联立式（1）～式（9）可得：
Figure 331102DEST_PATH_IMAGE023
（10）
由此可以看出，本实施例中的三次型降压变换器的电压增益为：
（11）
传统降压变换器的电压增益表达式为：
（12）
由式（11）和式（12）可以得出，当占空比
Figure 740906DEST_PATH_IMAGE017
在0.1-0.9范围内变化时，传统降压变换器的增益只能在0.1-0.9范围内变化，即输出电压最低只能达到输入电压的0.1倍，而本发明所述的变换器的增益可以在0.001-0.729范围内变化，即输出电压最低可以达到输入电压的0.001倍，大幅拓展了传统降压变换器的增益范围。
虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换故在此不一一赘述。

Claims (3)

1.一种三次型降压变换器，其特征在于：包括输入电源Vg、功率开关管S、第一功率电感L1、第二功率电感L2、第三功率电感L3、第一中间储能电容C1、第二中间储能电容C2、输出电容C3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、负载R；
其中，所述输入电源Vg的正极分别与所述第一二极管D1的阴极、所述第一功率电感L1的一端连接；
所述第一功率电感L1的另一端分别与所述第一中间储能电容C1的一端、所述第二二极管D2的阴极、所述功率开关管S的漏极连接；
所述第一中间储能电容C1的另一端分别与所述第二功率电感L2的一端、所述第三二极管D3的阳极连接；
所述第三二极管D3的阴极分别与所述第二二极管D2的阳极、所述第二中间储能电容C2的一端连接；
所述第二功率电感L2的另一端分别与所述第一二极管D1的阳极、所述第二中间储能电容C2的另一端、所述第四二极管D4的阴极连接；
所述功率开关管S的源极分别与所述第三功率电感L3的一端、所述第五二极管D5的阴极连接；
所述第三功率电感L3的另一端分别与所述输出电容C3的一端、所述负载R的一端连接；
所述负载R的另一端、所述输出电容C3的另一端、所述第五二极管D5的阳极、所述第四二极管D4的阳极与所述输入电源Vg的负极连接。
2.根据权利要求1所述的一种三次型降压变换器，其特征在于：所述功率开关管S开通时，所述输入电源Vg给所述第一功率电感L1和所述第三功率电感L3充电，所述第一中间储能电容C1给所述第二功率电感L2和所述第三功率电感L3充电，所述第二中间储能电容C2给所述第三功率电感L3充电。
3.根据权利要求1所述的一种三次型降压变换器，其特征在于：所述功率开关管S关断时，所述第一功率电感L1经所述第一二极管D1和所述第三二极管D3向所述第一中间储能电容C1和所述第二中间储能电容C2释放能量，所述第二功率电感L2经所述第三二极管D3向所述第二中间储能电容C2释放能量，所述第三功率电感L3经所述第五二极管D5向所述负载R提供能量。
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