CN111431399A - 一种新型可扩展Cuk DC-DC变换器 - Google Patents

Abstract

一种新型可扩展Cuk DC‑DC变换器，该变换器包括一个输入电源，一个负载R _L，一个基本Cuk变换器，n个扩展单元；所述基本Cuk变换器包含两个电感L ₁、L ₂，两个电容C ₁、C ₂，一个功率开关S₁，一个二极管D₁。通过调节增益扩展单元的个数，即可实现对变换器输入输出增益及开关器件电压应力的调节。本发明变换器具有控制及驱动电路简单、输入输出电压调节范围宽、开关器件电压应力低等优势，较适合于输入或输出电压变化范围较大的应用场合。

Description

一种新型可扩展Cuk DC-DC变换器

技术领域

本发明涉及一种宽输入输出升降压DC/DC变换器，具体是一种新型可扩展Cuk DC-DC变换器。

背景技术

在输入和输出电压变化均较大的应用场合，输入电压即可能高于输出电压，也可能低于输出电压，此时适用的常见非隔离型升降压DC-DC变换器有Buck-Boost、Cuk、Sepic以及Zeta电路。理论上通过调节占空比D，这些变换器的输入输出增益可以在零至无穷大之间变化，但受元器件及电路寄生参数的影响，这些变换器的升压能力受到了较大的限制。

目前提高DC-DC变换器输入输出增益的方案多基于Boost电路而构建，因而这些电路通常只能实现升压，不能实现降压，在输入和输出电压变化较大的应用场合中难以适用。因此，研究既能够实现高增益升压、同时也能够实现降压的新型宽输入输出升降压DC/DC变换器具有重要意义。

发明内容

为解决现有非隔离型高增益DC-DC变换器不能同时实现高增益升压和降压的问题，本发明在传统Cuk DC-DC变换器引入与之相适应的“外衣电路”，而提出一种新型可扩展Cuk DC-DC变换器。本发明变换器可同时实现升降压，且输入输出增益高、开关器件电压应力低。

本发明采取的技术方案为：

一种新型可扩展Cuk DC-DC变换器，该变换器包括：

一个输入电源，一个负载R_L，一个基本Cuk变换器，n个扩展单元；

所述基本Cuk变换器包含两个电感L₁、L₂，两个电容C₁、C₂，一个功率开关S₁，一个二极管D₁，其连接形式如下：

电感L₁的一端连接输入电源的正极，电感L₁的另一端分别连接功率开关S₁的漏极、电容C₁的一端，电容C₁的另一端分别连接电感L₂的一端、二极管D₁的阳极，电感L₂的另一端与电容C₂的一端相连，功率开关S₁的源极、二极管D₁的阴极、电容C₂的另一端均与输入电源的负极相连；

n个扩展单元的元器件和内部连接形式均相同：

第一个扩展单元其含有：一个电感L₁₁，一个二极管D₁₁，两个电容C₁₁、C₁₂；其中：电容C₁₁的另一端分别与电感L₁₁的一端、二极管D₁₁的阳极相连，电感L_i1的另一端与电容C₁₂的一端相连；

第二个扩展单元其含有：一个电感L₂₁，一个二极管D₂₁，两个电容C₂₁、C₂₂；其中：电容C₂₁的另一端分别与电感L₂₁的一端、二极管D₂₁的阳极相连，电感L₂₁的另一端与电容C₂₂的一端相连；

......依次类推，第i个扩展单元其含有：一个电感L_i1，一个二极管D_i1，两个电容C_i1、C_i2；其中；电容C_i1的另一端分别与电感L_i1的一端、二极管D_i1的阳极相连，电感L_i1的另一端与电容C_i2的一端相连；

各个扩展单元之间的连接形式如下：

1<i≤n；

第1个扩展单元中电容C₁₁的一端与第2个扩展单元中电容C₂₁的一端相连，第1个扩展单元中电感L₁₁的另一端、电容C₁₂的一端相连的交点，与第2个扩展单元中二极管D₂₁的阴极、电容C₂₂的另一端的相连的交点相连；

第2个扩展单元中电容C₂₁的一端与第3个扩展单元中电容C₃₁的一端相连，第2个扩展单元中电感L₂₁的另一端、电容C₂₂的一端相连的交点，与第3个扩展单元中二极管D₃₁的阴极、电容C₃₂的另一端的相连的交点相连；

......依次类推，第i-1个扩展单元中电容C_(i-1)1的另一端、电感L_(i-1)1的一端以及二极管D_(i-1)1的阳极相连；第i-1个扩展单元中电容C_(i-1)1的一端与第i个扩展单元中电容C_i1的一端相连，第i-1个扩展单元中电感L_(i-1)1的另一端、电容C_(i-1)2的一端相连的交点，与第i个扩展单元中二极管D_i1的阴极、电容C_i2的另一端的相连的交点相连；

第1个扩展单元与基本Cuk变换器之间的连接关系如下：

基本Cuk变换器中电容C₁的另一端与电感L₂的一端以及二极管D₁的阳极相连，基本Cuk变换器中电容C₁的一端、电感L₁的另一端相连的交点与第1个扩展单元中电容C₁₁的一端相连；基本Cuk变换器中电感L₂的另一端与电容C₂的一端相连的交点与第1个扩展单元中二极管D₁₁的阴极相连；

负载R_L的一端与第n个扩展单元中电容C_n2的一端相连，负载R_L的另一端与基本Cuk变换器中电容C₂的另一端相连。

所述功率开关S₁的栅极接其控制器，其占空比可以在0至1之间变化。

本发明一种新型可扩展Cuk DC-DC变换器，技术效果如下：

1、可同时实现升降压，且输入输出增益高，开关器件电压应力低，具体如下：

电感L₁的电流连续导通时：

输入输出增益为：

开关管电压应力为：

其中，D为占空比，u_in为输入电压，u_o为输出电压，u_s为功率开关电压应力，n为扩展单元数量。

2、该变换器仅含有1个功率开关，控制策略及驱动电路简单。

3、通过调节增益扩展单元的个数，即可实现对变换器输入输出增益及开关器件电压应力的调节。本发明变换器具有控制及驱动电路简单、输入输出电压调节范围宽、开关器件电压应力低等优势，较适合于输入或输出电压变化范围较大的应用场合。

附图说明

图1是本发明电路原理图。

图2是本发明扩展单元数为2时的电路拓扑图。

图3是传统Cuk变换器电路原理图。

图4是本发明扩展单元数为2时的输入输出增益与传统Cuk变换器的输入输出增益对比图。图5是本发明扩展单元数为2时的输入电压和输出电压仿真波形图。

图6是本发明扩展单元数为2时的开关两端端电压和占空比仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图2所示，为本发明扩展单元数为2时的电路拓扑图：

一种新型可扩展Cuk DC-DC变换器，该变换器包含一个直流输入源，一个负载R_L，一个基本Cuk变换器，两个扩展单元。其中：

基本Cuk变换器包含两个电感L₁、L₂，两个电容C₁、C₂，一个功率开关S₁，一个二极管D₁。其连接形式如下：

电感L₁的一端接输入电源的正极，另一端连接功率开关S₁的漏极以及电容C₁的一端，电容C₁的另一端与电感L₂的一端以及二极管D₁的阳极相连，电感L₂的另一端与电容C₂的一端相连，功率开关S₁的源极、二极管D₁的阴极以及电容C₂的另一端与输入电源的负极相连。

两个扩展单元之间的连接关系如下：第1个扩展单元中电容C₁₁的另一端、电感L₁₁的一端以及二极管D₁₁的阳极相连，第1个扩展单元中电容C₁₁的一端与第2个扩展单元中电容C₂₁的一端相连，第1个扩展单元中电感L₁₁的另一端、电容C₁₂的一端相连的交点与第2个扩展单元中二极管D₂₁的阴极、电容C₂₂的另一端的相连的交点相连。

扩展单元与基本Cuk变换器之间的连接关系如下：

基本Cuk变换器中电容C₁的另一端与电感L₂的一端以及二极管D₁的阳极相连，基本Cuk变换器中电容C₁的一端、电感L₁的另一端相连的交点与第1个扩展单元中电容C₁₁的一端相连，基本Cuk变换器中电感L₂的另一端与电容C₂的一端相连的交点与第1个扩展单元中二极管D₁₁的阴极相连。

负载R_L的一端与第2个扩展单元中电容C₂₂的一端相连，另一端与基本Cuk变换器中电容C₂的另一端相连。

所述功率开关S₁的栅极接其控制器，其占空比可以在0至1之间变化。

在电感L₁的电流连续导通时，根据功率开关状态的不同，可以将电路分为2种工作状态：

(1)：功率开关S₁导通，二极管D₁、D₁₁、D₁₂均关断，此时，电感L₁、L₂、L₁₁、L₁₂、电容C₂、C₁₂、C₂₂充电，电容C₁、C₁₁、C₂₁放电；电感L₁、L₂、L₁₁、L₁₂端电压如下式所示：

(2)：功率开关S₁关断，二极管D₁、D₁₁、D₁₂均导通，此时，电感L₁、L₂、L₁₁、L₁₂、电容C₂、C₁₂、C₂₂放电，电容C₁、C₁₁、C₂₁充电；电感L₁、L₂、L₁₁、L₁₂端电压如下式所示：

图4是本发明扩展单元数为2时的输入输出增益与传统Cuk变换器的输入输出增益对比图。从图中可以得知所提变换器扩展单元数为2时的输入输出增益较传统Cuk变换器提高了3倍，从而可以从图中看出输入输出增益仿真与理论分析相吻合。

图5是本发明扩展单元数为2时的输入电压和输出电压仿真波形图，具体仿真参数为：输入电压u_in＝48V，占空比D＝73.53％，负载电阻R_L＝400Ω，根据上述输入电压和占空比，可以根据理论分析计算出扩展单元数为2时的输出电压约为400V，从而可以从图中看出输入输出电压仿真与理论分析相吻合。

图6是本发明扩展单元数为2时的开关两端端电压和占空比仿真波形图，具体仿真参数为：输入电压u_in＝48V，占空比D＝73.53％，负载电阻R_L＝400Ω。根据上述输入电压和占空比，可以根据理论分析计算出开关管的电压应力约为180V，从而可以从图中看出开关管电压应力仿真与理论分析相吻合。

Claims (2)

1.一种新型可扩展Cuk DC-DC变换器，其特征在于该变换器包括：

一个输入电源，一个负载R_L，一个基本Cuk变换器，n个扩展单元；

所述基本Cuk变换器包含两个电感L₁、L₂，两个电容C₁、C₂，一个功率开关S₁，一个二极管D₁，其连接形式如下：

电感L₁的一端连接输入电源的正极，电感L₁的另一端分别连接功率开关S₁的漏极、电容C₁的一端，电容C₁的另一端分别连接电感L₂的一端、二极管D₁的阳极，电感L₂的另一端与电容C₂的一端相连，功率开关S₁的源极、二极管D₁的阴极、电容C₂的另一端均与输入电源的负极相连；

n个扩展单元的元器件和内部连接形式均相同：

第一个扩展单元其含有：一个电感L₁₁，一个二极管D₁₁，两个电容C₁₁、C₁₂；其中：电容C₁₁的另一端分别与电感L₁₁的一端、二极管D₁₁的阳极相连，电感L_i1的另一端与电容C₁₂的一端相连；

第二个扩展单元其含有：一个电感L₂₁，一个二极管D₂₁，两个电容C₂₁、C₂₂；其中：电容C₂₁的另一端分别与电感L₂₁的一端、二极管D₂₁的阳极相连，电感L₂₁的另一端与电容C₂₂的一端相连；

......依次类推，第i个扩展单元其含有：一个电感L_i1，一个二极管D_i1，两个电容C_i1、C_i2；其中；电容C_i1的另一端分别与电感L_i1的一端、二极管D_i1的阳极相连，电感L_i1的另一端与电容C_i2的一端相连；

各个扩展单元之间的连接形式如下：

1<i≤n；

第1个扩展单元中电容C₁₁的一端与第2个扩展单元中电容C₂₁的一端相连，第1个扩展单元中电感L₁₁的另一端、电容C₁₂的一端相连的交点，与第2个扩展单元中二极管D₂₁的阴极、电容C₂₂的另一端的相连的交点相连；

第2个扩展单元中电容C₂₁的一端与第3个扩展单元中电容C₃₁的一端相连，第2个扩展单元中电感L₂₁的另一端、电容C₂₂的一端相连的交点，与第3个扩展单元中二极管D₃₁的阴极、电容C₃₂的另一端的相连的交点相连；

......依次类推，第i-1个扩展单元中电容C_(i-1)1的另一端、电感L_(i-1)1的一端以及二极管D_(i-1)1的阳极相连；第i-1个扩展单元中电容C_(i-1)1的一端与第i个扩展单元中电容C_i1的一端相连，第i-1个扩展单元中电感L_(i-1)1的另一端、电容C_(i-1)2的一端相连的交点，与第i个扩展单元中二极管D_i1的阴极、电容C_i2的另一端的相连的交点相连；

第1个扩展单元与基本Cuk变换器之间的连接关系如下：

基本Cuk变换器中电容C₁的另一端与电感L₂的一端以及二极管D₁的阳极相连，基本Cuk变换器中电容C₁的一端、电感L₁的另一端相连的交点与第1个扩展单元中电容C₁₁的一端相连；基本Cuk变换器中电感L₂的另一端与电容C₂的一端相连的交点与第1个扩展单元中二极管D₁₁的阴极相连；

负载R_L的一端与第n个扩展单元中电容C_n2的一端相连，负载R_L的另一端与基本Cuk变换器中电容C₂的另一端相连。

2.根据权利要求1所述一种新型可扩展Cuk DC-DC变换器，其特征在于：所述功率开关S₁的栅极接其控制器，其占空比可以在0至1之间变化。

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